香港中文大學許建斌研究組ACS Nano: 高響應超靈敏的石墨烯基短波紅外探測器

【引言】

石墨烯因其獨特的電學與光學性質，有望在光電探測領域得到應用。特別重要的，石墨烯具有從可見到紅外的寬光譜吸光特性。然而石墨烯僅僅具有2.3%的吸光，并且其光生載流子壽命極短，這些導致基于石墨烯的光電探測器性能受到很大限制。因此，如何解決這兩個問題成為提升石墨烯光電探測器性能的主要研究方向。

【成果簡介】

近日，香港中文大學電子工程系許建斌教授、李昕明博士（共同通訊作者）與合作者在ACS Nano上發表題為“Synergistic Effects of Plasmonics and Electron Trapping in Graphene Short-Wave Infrared Photodetectors with Ultrahigh Responsivity”的文章，本文第一作者為香港中文大學博士研究生陳澤鋒。本文作者設計了一種基于石墨烯-硅的異質結構，特別重要的是，在該異質結中，石墨烯作為吸光材料吸收紅外光從而貢獻光生載流子，異質結可以俘獲石墨烯中的光生電子，這一結構可以有效地提高光生載流子的壽命，并實現快速的光響應。同時，作者利用金顆粒表面等離增強作用，可以實現石墨烯在1.55微米波長附近的光吸收提高近一個數量級。結合以上兩種協同作用的機制，基于石墨烯的短波紅外探測器（Short-Wave Infrared Photodetectors）在1.55微米波段光源的工作條件下，具有83 A/W的高響應率，以及600 ns的超快響應速度。

【圖文導讀】

圖1?石墨烯短波紅外探測器的制備工藝流程與表征

(a)石墨烯短波紅外探測器的制備工藝流程

(b)-(d)石墨烯短波紅外探測器的表征，金納米顆粒負載在器件表面

(e)石墨烯短波紅外探測器的基本工作原理

圖2?金顆粒在石墨烯短波紅外探測器的表面等離增強作用

(a) 金納米顆粒的形貌

(b)器件在紅外波段處的吸收光譜

(c)-(e) 器件在紅外波段處吸收光譜與金顆粒表面等離增強作用的模擬與計算結果

圖3 石墨烯短波紅外探測器的光電響應（1.55微米波長照射）

(a)-(b)不同功率與偏壓下的光電流（1.55微米波長照射）

(c)加入金顆粒前后的石墨烯短波紅外探測器的光電流與光電響應

(d)不同金納米顆粒陣列的石墨烯短波紅外探測器在紅外波段處的光電流

圖4 ?石墨烯與石墨烯-硅異質結構在紅外波段下的光響應對比

(a)石墨烯與石墨烯-硅異質結構在紅外波段下的光響應原理圖

(b)石墨烯與石墨烯-硅異質結構在紅外波段下的光響應實驗數據

圖5 石墨烯短波紅外探測器的光電響應速度

(a)-(b)石墨烯短波紅外探測器的光電響應速度（600ns）

(c)石墨烯短波紅外探測器超快響應的原理分析

(d)本文結果與其他類似工作結果的對比數據

【小結】

本文實現了基于石墨烯的短波紅外探測器（Short-Wave Infrared Photodetectors）在1.55微米波段光源的工作條件下，具有83 A/W的高響應率，以及600 ns的超快響應速度。這一研究結果，可以實現具有優異性能的石墨烯光電探測器，同時該器件設計思路也有望在其他二維材料光電器件應用中得到廣泛應用。

文獻鏈接：Synergistic Effects of Plasmonics and Electron Trapping in Graphene Short-Wave Infrared Photodetectors with Ultrahigh Responsivity （ACS Nano,?2017,?11?(1), pp 430–437, DOI:?10.1021/acsnano.6b06172)

本文由材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。如果你對電子材料感興趣，愿意與電子電工領域人才交流，請加入材料人電子電工材料學習小組（QQ群：482842474）。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料測試，數據分析，上測試谷！