Nano Letters : 自卷曲三维石墨烯场效应管用作高性能光电传感器

【引言】

光电传感器是光通信、成像、传感等许多领域的核心元件。石墨烯具有独特的零带隙结构、超快的载流子迁移率等优点，是制造高性能光电传感器的理想材料。传统的石墨烯光电传感器多采用平面二维（2D）石墨烯场效应管（GFET）结构，具有超宽的带宽和超快的响应速度。但是，由于单层石墨烯对光的吸收率很低（~2.3%），导致传统2D GFET光电传感器的响应度很低（~6.3 mA/W）。虽然将石墨烯与光敏物质相结合可以大幅度提高光电传感器的响应度，但是带宽和响应速度会严重受损。

【成果简介】

近日，北京交通大学邓涛（第一作者和通讯作者）以及清华大学刘泽文（共同通讯作者）等人提出了一种利用氮化硅应力层驱动2D GFET自卷曲为微管式3D GFET的方法，首次制造出了卷曲圈数（1-5）和半径（30 μm-65 μm）精确可控的3D GFET器件阵列。这种3D GFET可用作光电传感器，工作波长范围从紫外光（325 nm）区域一直延伸至太赫兹（119 μm）区域，为已经报道的基于石墨烯材料的光电传感器带宽之最。同时，这种3D GFET兼具超高的响应度和超快的响应速度，在紫外光至可见光区域的响应度可达1 A/W以上，在太赫兹区域的响应度高达0.23 A/W，响应时间快至265 ns（纳秒）。该研究所提出的制造方法不仅为3D石墨烯光电器件与系统的实现铺平了道路，还可以推广至二硫化钼、黑磷等其他类石墨烯2D晶体材料。相关成果以题为”Three-Dimensional Graphene Field-Effect Transistors as High Performance Photodetectors”的文章在线发表在Nano Letters上。

【图文导读】

图1 自卷曲三维（3D）石墨烯场效应管（GFET）。

(a) 自卷曲前的平面二维（2D）GFET；(b) 自卷曲后的3D GFET；(c, d) 3D GFET的正视图和侧视图；(e) 自卷曲圈数分别为1圈（左上）、2圈（右上）、3圈（左下）和5圈（右下）的3D GFET侧视图；(f) 3D GFET阵列。

图2 3D GFET的电学特性。

(a) 自卷曲前、后2D GFET和3D GFET的输出特性；(b) 2D GFET的输出特性；(c) 3D GFET的输出特性。

图3 3D GFET在紫外光和可见光区域的光电特性。

(a) 实验装置示意图；(b) 零栅压和零源漏电压（V_g = V_ds = 0 V）条件下2D GFET和3D GFET的光电流随入射光（波长325 nm）功率变化；(c) 3D GFET的响应度随栅压变化；(d) 3D GFET的响应度随源漏电压变化；(e) 电场强度为E₀ = 1 V/m 的514 nm入射光下3D GFET附近的电场强度（E_3D）分布模拟；(f) 紫外光和可见光区域3D GFET的响应度和电场强度增强系数（E_3D/ E₀）随入射光波长变化。所有实验在室温下进行。

图4 3D GFET在中红外和太赫兹（THz）区域的光电特性。

(a) 实验装置示意图；(b) 2.52 THz（波长119 μm）入射光下3D GFET的瞬态光电流响应；(c) 具有不同自卷曲圈数的3D GFET在2.52 THz光下的光电流随入射光功率变化；(d, e) 自卷曲圈数为5圈的3D GFET在波长分别为10.6 μm和96 μm（3.11 THz）入射光下的光电流随光功率变化；(f) 2D GFET和3D GFET在中红外和THz区域的响应度对比。所有实验在零栅压、零源漏电压（V_g = V_ds = 0 V）和室温条件下进行。

图5 3D GFET的高速光电响应。

(a) 3D GFET在飞秒脉冲激光下时域响应，光电流经低噪声电流放大器（带宽1 MHz ）后由带宽为1 GHz的示波器记录；(b) 3D GFET的频率响应，3 dB带宽为1.38 MHz。

【小结】

本文利用自卷曲方法制造了一种微管式三维石墨烯场效应管，可用作光电传感器，实现对紫外光、可见光、中红外光、太赫兹波的超高灵敏度、超快探测。

文章链接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04099

本文由北京交通大学邓涛供稿，材料人编辑部编辑。

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