北京交通大学Nanophotonics: TiO2纳米颗粒修饰石墨烯紫外光电探测器

【引言】

紫外光电探测器在空间通信、军事侦察、环境监测、生物医学等许多领域具有广泛而重要的应用。如何实现具有超高灵敏度、微型化、低成本、可大批量制备的高性能紫外光电探测器已经成为一个研究热点。石墨烯优异的光学和电学性能使之成为制造光电探测器的理想材料，但是由于单层石墨烯对光的吸收率很低（~2.3%），石墨烯紫外光电探测器的响应度亟待提高。

【成果简介】

近日，北京交通大学李莎莎（第一作者）、邓涛（通讯作者）等人利用溶液合成的二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒修饰埋栅式石墨烯场效应管（GFET），实现了一种微型（特征尺寸30 μm）紫外光电探测器。这种具有“日盲”特性的光电探测器在波长为325 nm的紫外光辐射下，响应度高达118.3 A/W，这比最近报道的基于石墨烯/垂直Ga₂O₃纳米线阵列异质结型紫外光电探测器的响应度（0.185 A/W）高出了600多倍。值得注意的是，这种TiO₂修饰GFET型紫外光电探测器的响应度和响应速度还可以通过施加很小（≤1V）的栅压和（或）源漏电压来进行调节和优化。该研究为大批量、低成本地制造具有超高响应度的微型紫外光电探测器提供了一种简单可行的方法。相关成果以题为“Solar-blind ultraviolet detection based on TiO₂ nanoparticles decorated graphene field-effecttransistors”的文章在线发表在Nanophotonics上。

【图文导读】

图1 二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒（NPs）修饰的埋栅式石墨烯场效应管（GFET）。

（a）和（b）TiO₂ NPs修饰前、后的埋栅式GFET;（c）TiO₂ NPs修饰GFET阵列;（d）石墨烯/ TiO₂ NPs导电沟道;（e）TiO₂ NPs集聚点的原子力显微图像（对应图1d中的红色框）;（f）TiO₂ NPs修饰前（红线）、后（蓝线）GFET的拉曼光谱。

图2 TiO₂ NPs修饰前、后GFET的电学特性。

（a）TiO₂ NPs修饰前、后GFET的转移特性对比;（b）TiO₂ NPs修饰GFET的转移特性曲线;（c）和（d）分别为TiO₂ NPs修饰前、后GFET的输出特性曲线。

图3 TiO₂ NPs修饰GFET的光电特性。

（a）实验装置示意图;（b）在零栅压（V_gs）和0.1 V源漏电压（V_ds）下，器件的瞬态光电响应;（c）单个调制周期的瞬态光电响应; 插图：器件的工作原理;（d）在V_gs = 0 V和V_ds = 0.1 V条件下，器件光电流随激光位置的变化而变化; 插图：标有激光位置的器件SEM图; 实验中所用激光波长为325 nm，图（b）和（c）所用激光功率均为3.47 mW，图（d）所用激光功率为1.74 mW。

图4 TiO₂ NPs修饰GFET的光电特性。

（a）器件光电响应随源漏偏压变化;（b）器件归一化响应度（R_ph/R_ph,₀, R_ph,₀为源漏电压等于0 V时器件的响应度）随源漏偏压变化; 图（a）和（b）均在V_gs = 0 V和入射激光功率为1.74 mW的条件下获得;（c）器件光电响应随入射激光功率变化;（d）在V_ds = 0.1 V和V_gs = 0 V条件下，器件响应度随入射激光功率变化。

图5 TiO₂ NPs修饰GFET的栅压可调光电特性。

（a）器件瞬时光电响应随栅压变化；（b）器件归一化响应度随栅压变化；图（a）和（b）均在V_ds = 0.1 V和激光功率为0.347 mW的条件下获得。

【小结】

本文利用二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒修饰埋栅式石墨烯场效应管（GFET），实现了对紫外光超高灵敏度探测。

文章链接：https://www.degruyter.com/view/j/nanoph.ahead-of-print/nanoph-2019-0060/nanoph-2019-0060.xml

本文由北京交通大学李莎莎供稿。

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