【前沿】具有超灵敏高响应度的石墨烯基短波红外探测器研发成功！

烯碳资讯 · 公众号 · · 2017-04-11 14:06

正文

▲

小烯导读

石墨烯，因其较高的载流子迁移率以及宽波段的光谱吸收，有望在光电器件中得到广泛应用。然而，单层石墨烯仅具有2.3%的吸光率，并且光生载流子寿命极短，这些方面又限制了其在光电探测器中的应用。近日， 香港中文大学电子工程系 科研人员与合作者通过设计 基于石墨烯的异质结构 ，同时利用金颗粒的表面等离增强作用， 实现了基于石墨烯的短波红外探测器。

背景

红外线波长主要在0.75～1000um之间，介于微波与可见光之间，其在生产、环保、军事、通讯、探测、医疗等方面有广泛的应用。一般而言，短波红外（Short-Wave Infrared , SWIR）的波长主要在1.4~3μm范围，而该波段探测所常用的半导体数量有限，急需新材料的开发与研制.

石墨烯，因其较高的载流子迁移率以及宽波段的光谱吸收，有望在光电器件中得到广泛应用。然而，单层石墨烯仅具有2.3%的吸光率，并且光生载流子寿命极短，这些方面又限制了其在光电探测器中的应用。

成果

近日， 香港中文大学电子工程系 科研人员与合作者通过设计 基于石墨烯的异质结构 ，同时利用金颗粒的表面等离增强作用， 实现了基于石墨烯的短波红外探测器 （Short-Wave Infrared Photodetectors）。特别指出的是，相比于其他异质结构中引入吸光材料，本研究的探测器结构中石墨烯作为主要吸光材料，在1.55微米波段光源工作条件下具有83 A/W的高响应率，以及600 nm的超快响应速度。

香港中文大学研究团队采用 聚苯乙烯球阵列为模板 ，实现了在 石墨烯表面构建具有三角形状的金纳米颗粒阵列 。 重要的是，通过调节金纳米颗粒的尺寸而调节其表面等离增强效果，从而可以实现将石墨烯在1.5微米波长附近的光吸收提高近一个数量级。

与此同时，与传统的石墨烯-半导体异质结不同（传统异质结内半导体吸收入射光产生光生载流子），本研究的石墨烯-硅异质结中，石墨烯吸收红外光从而贡献光生载流子，而异质结内建电场可以俘获石墨烯中的光生电子，这一机制可以有效地提高光生载流子的寿命，并实现快速的光响应。 结合以上两种协同作用的机制，这一基于石墨烯的光电探测器在1.55微米波段光源的工作条件下，具有高响应率以及超快响应速度。