浙江大学ACS Nano：基于具有等离激元效应的掺杂硅量子点和石墨烯杂化结构的超宽光谱高灵敏光电探测器

【引言】

当前，物联网技术和军事科技的快速发展正在有力推动高灵敏度、宽光谱尤其是能拓展至中红外波段的光电探测器的研究。基于石墨烯和量子点的二维/零维杂化结构的光电探测器在这方面被寄予厚望。然而目前基于石墨烯和量子点（如PbS和PbSe量子点）的杂化结构的光电探测器只能在紫外到近红外波段工作，无法实现对中红外光的有效探测。中红外光的探测仍然依赖于传统的窄禁带半导体材料如HgTe等。然而这类材料面临着稳定性、毒性和资源稀缺的问题，在大规模的应用方面面临挑战。

【成果介绍】

近日，浙江大学硅材料国家重点实验室和材料科学与工程学院由杨德仁教授领衔的硅材料研究团队的皮孝东教授研究组与浙江大学信息与电子工程学院的徐杨教授研究组以及中国科学院上海技术物理研究所的胡伟达研究员研究组合作在ACS Nano期刊上发表了题为“Plasmonic Silicon Quantum Dots Enabled High-Sensitivity Ultrabroadband Photodetection of Graphene-Based Hybrid Phototransistors”的论文，倪朕伊博士和马玲玲为共同第一作者。该论文报道了一种基于掺杂硅量子点和石墨烯杂化结构的晶体管型光电探测器，利用掺杂硅量子点在中红外光波段的局域表面等离激元共振效应（LSPR）和紫外到近红外光波段的电子跃迁光学吸收特性，实现了从紫外光（375nm）到中红外光（4μm）的超宽光谱探测。器件在紫外到近红外光波段的响应度可达10⁹ A/W，比探测率可达10¹³ Jones；在中红外光波段响应度可达45 A/W，比探测率可达10⁵ Jones，其性能在具有同类型结构的器件中处于国际先进水平。

【图文导读】

图1. 硅量子点和石墨烯杂化结构的光电探测器的结构和工作原理示意图

(a)硅量子点和石墨烯杂结构的晶体管型光电探测器示意图。

(b)器件的工作原理示意图。在中红外光（MIR）波段，掺杂硅量子点的LSPR效应能够在量子点和石墨烯之前产生增强的局域电场，该局域电场能够显著增加石墨烯在中红外光波段的光学吸收，形成光电响应；在紫外到近红外光（UV-NIR）波段，硅量子点带边或带尾态上的电子吸收光子产生跃迁，形成电子-空穴对，其中电子被硅量子点的缺陷态所俘获，空穴在内建电场的作用下转移到石墨烯中，产生增大的光电流。

图2. 硅量子点和石墨烯之间的局域电场增强及光致栅调控（photogating）效应

(a)通过FDTD模拟的硅量子点和石墨烯之间的电场强度随入射光波长的变化。在入射光为3μm时硅量子点和石墨烯之间的局域电场达到最大，和硅量子点的LSPR峰位相一致。

(b)硅量子点和石墨烯杂化结构的晶体管型光探测器在中红外光波段（3 μm）和可见光波段（532 nm）的转移特性曲线。在中红外光波段，石墨烯的费米能级不随光照发生变化，表明硅量子点和石墨烯之间没有发生电荷转移；在紫外到可见光波段，光照以后石墨烯的费米能级向上移动，表明空穴从硅量子点注入到石墨烯中。

(c)硅量子点和石墨烯接触时以及在紫外到近红外光（UV-NIR）照射时的能级和电子或空穴转移示意图。

图3. 硅量子点和石墨烯杂化结构的光探测器性能和已发表工作的比较

(a) 硅量子点和石墨烯杂化结构的光探测器的响应度随波长的变化。红色星号为本工作的结果。

(b) 硅量子点和石墨烯杂化结构的光探测器的比探测率随波长的变化。红色星号为本工作的结果。

【相关工作】

前期的研究表明，利用未掺杂的硅量子点和石墨烯形成杂化结构并将其与体硅形成肖特基结，就能制备出的高速的光电探测器（Adv. Mater. 28, 4912-4919 (2016). DOI: 10.1002/adma.201506140/full）。进一步的研究发现，把掺杂硅量子点置于石墨烯和体硅之间可以形成具有级联结构的肖特基光电探测器，其高性能的光响应在波长长至约2 μm的近红外波段也能观察到，器件的最大响应度可达0.6 A/W，响应时间为10^-6 s，比探测率可达10¹¹ Jones，在同类型器件中达到国际先进水平。该研究成果“Graphen/silicon-quantum-dot/silicon Schottky-PN cascade heterojuction for short-wavelength infrared photodetection”最近被电气和电子工程师协会（IEEE）的知名国际会议International Electron Devices Meeting （IEDM）2017所收录，杜思超博士、倪朕伊博士和刘雪梅为文章的共同第一作者。

【小结】

该项目制备了一种基于掺杂硅量子点和石墨烯杂化结构的晶体管型光电探测器，利用掺杂引入的硅量子点光学吸收特性和石墨烯的高迁移率特性实现了从紫外光（375nm）到中红外光（4μm）的超宽光谱探测。这一成果展示了硅量子点在光电器件中的应用有望通过与二维材料如石墨烯形成杂化结构而取得突破，也为其他具有等离激元效应的量子点在光电器件中的应用提供了借鉴。

文献连接：Plasmonic Silicon Quantum Dots Enabled High-Sensitivity Ultrabroadband Photodetection of Graphene-Based Hybrid Phototransistors (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03569)

本文由浙江大学倪朕伊博士投稿，材料牛整理编辑。

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