香港中文大学许建斌研究组ACS Nano: 高响应超灵敏的石墨烯基短波红外探测器

【引言】

石墨烯因其独特的电学与光学性质，有望在光电探测领域得到应用。特别重要的，石墨烯具有从可见到红外的宽光谱吸光特性。然而石墨烯仅仅具有2.3%的吸光，并且其光生载流子寿命极短，这些导致基于石墨烯的光电探测器性能受到很大限制。因此，如何解决这两个问题成为提升石墨烯光电探测器性能的主要研究方向。

【成果简介】

近日，香港中文大学电子工程系许建斌教授、李昕明博士（共同通讯作者）与合作者在ACS Nano上发表题为“Synergistic Effects of Plasmonics and Electron Trapping in Graphene Short-Wave Infrared Photodetectors with Ultrahigh Responsivity”的文章，本文第一作者为香港中文大学博士研究生陈泽锋。本文作者设计了一种基于石墨烯-硅的异质结构，特别重要的是，在该异质结中，石墨烯作为吸光材料吸收红外光从而贡献光生载流子，异质结可以俘获石墨烯中的光生电子，这一结构可以有效地提高光生载流子的寿命，并实现快速的光响应。同时，作者利用金颗粒表面等离增强作用，可以实现石墨烯在1.55微米波长附近的光吸收提高近一个数量级。结合以上两种协同作用的机制，基于石墨烯的短波红外探测器（Short-Wave Infrared Photodetectors）在1.55微米波段光源的工作条件下，具有83 A/W的高响应率，以及600 ns的超快响应速度。

【图文导读】

图1 石墨烯短波红外探测器的制备工艺流程与表征

(a)石墨烯短波红外探测器的制备工艺流程

(b)-(d)石墨烯短波红外探测器的表征，金纳米颗粒负载在器件表面

(e)石墨烯短波红外探测器的基本工作原理

图2 金颗粒在石墨烯短波红外探测器的表面等离增强作用

(a) 金纳米颗粒的形貌

(b)器件在红外波段处的吸收光谱

(c)-(e) 器件在红外波段处吸收光谱与金颗粒表面等离增强作用的模拟与计算结果

图3 石墨烯短波红外探测器的光电响应（1.55微米波长照射）

(a)-(b)不同功率与偏压下的光电流（1.55微米波长照射）

(c)加入金颗粒前后的石墨烯短波红外探测器的光电流与光电响应

(d)不同金纳米颗粒阵列的石墨烯短波红外探测器在红外波段处的光电流

图4  石墨烯与石墨烯-硅异质结构在红外波段下的光响应对比

(a)石墨烯与石墨烯-硅异质结构在红外波段下的光响应原理图

(b)石墨烯与石墨烯-硅异质结构在红外波段下的光响应实验数据

图5 石墨烯短波红外探测器的光电响应速度

(a)-(b)石墨烯短波红外探测器的光电响应速度（600ns）

(c)石墨烯短波红外探测器超快响应的原理分析

(d)本文结果与其他类似工作结果的对比数据

【小结】

本文实现了基于石墨烯的短波红外探测器（Short-Wave Infrared Photodetectors）在1.55微米波段光源的工作条件下，具有83 A/W的高响应率，以及600 ns的超快响应速度。这一研究结果，可以实现具有优异性能的石墨烯光电探测器，同时该器件设计思路也有望在其他二维材料光电器件应用中得到广泛应用。

文献链接：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)

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