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具有超靈敏高響應度的石墨烯基短波紅外探測器研發成功

石墨烯,因其較高的載流子遷移率以及寬波段的光譜吸收,有望在光電器件中得到廣泛應用。然而,單層石墨烯僅具有2.3%的吸光率,并且光生載流子壽命極短,這些方面又限制了其在光電探測器中的應用。近日,香港中文大學電子工程系科研人員與合作者通過設計基于石墨烯的異質結構,同時利用金顆粒的表面等離增強作用,實現了基于石墨烯的短波紅外探測器。

紅外線波長主要在0.75~1000um之間,介于微波與可見光之間,其在生産、環保、軍事、通訊、探測、醫療等方面有廣泛的應用。一般而言,短波紅外 (Short-Wave Infrared , SWIR)的波長主要在1.4~3μm範圍,而該波段探測所常用的半導體數量有限,急需新材料的開發與研制.

石墨烯,因其較高的載流子遷移率以及寬波段的光譜吸收,有望在光電器件中得到廣泛應用。然而,單層石墨烯僅具有2.3%的吸光率,并且光生載流子壽命極短,這些方面又限制了其在光電探測器中的應用。

近日,香港中文大學電子工程系科研人員與合作者通過設計基于石墨烯的異質結構,同時利用金顆粒的表面等離增強作用,實現了基于石墨烯的短波紅外探測器(Short-Wave Infrared Photodetectors)。特别指出的是,相比于其他異質結構中引入吸光材料,本研究的探測器結構中石墨烯作為主要吸光材料,在1.55微米波段光源工作條件下具有83 A/W的高響應率,以及600 nm的超快響應速度。

香港中文大學研究團隊采用聚苯乙烯球陣列為模闆,實現了在石墨烯表面構建具有三角形狀的金納米顆粒陣列。重要的是,通過調節金納米顆粒的尺寸而調節其表面等離增強效果,從而可以實現将石墨烯在1.5微米波長附近的光吸收提高近一個數量級。

與此同時,與傳統的石墨烯-半導體異質結不同(傳統異質結内半導體吸收入射光産生光生載流子),本研究的石墨烯-矽異質結中,石墨烯吸收紅外光從而貢獻光生載流子,而異質結内建電場可以俘獲石墨烯中的光生電子,這一機制可以有效地提高光生載流子的壽命,并實現快速的光響應。結合以上兩種協同作用的機制,這一基于石墨烯的光電探測器在1.55微米波段光源的工作條件下,具有高響應率以及超快響應速度。

這一研究結果,可以實現具有優異性能的石墨烯光電探測器,同時該器件設計思路也有望在其他二維材料光電器件應用中得到廣泛應用。該研究工作近期發表在ACS Nano 上,文章通訊作者為香港中文大學許建斌教授與李昕明博士,第一作者是香港中文大學博士研究生陳澤鋒。

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