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具有超灵敏高响应度的石墨烯基短波红外探测器研发成功

石墨烯,因其较高的载流子迁移率以及宽波段的光谱吸收,有望在光电器件中得到广泛应用。然而,单层石墨烯仅具有2.3%的吸光率,并且光生载流子寿命极短,这些方面又限制了其在光电探测器中的应用。近日,香港中文大学电子工程系科研人员与合作者通过设计基于石墨烯的异质结构,同时利用金颗粒的表面等离增强作用,实现了基于石墨烯的短波红外探测器。

红外线波长主要在0.75~1000um之间,介于微波与可见光之间,其在生产、环保、军事、通讯、探测、医疗等方面有广泛的应用。一般而言,短波红外 (Short-Wave Infrared , SWIR)的波长主要在1.4~3μm范围,而该波段探测所常用的半导体数量有限,急需新材料的开发与研制.

石墨烯,因其较高的载流子迁移率以及宽波段的光谱吸收,有望在光电器件中得到广泛应用。然而,单层石墨烯仅具有2.3%的吸光率,并且光生载流子寿命极短,这些方面又限制了其在光电探测器中的应用。

近日,香港中文大学电子工程系科研人员与合作者通过设计基于石墨烯的异质结构,同时利用金颗粒的表面等离增强作用,实现了基于石墨烯的短波红外探测器(Short-Wave Infrared Photodetectors)。特别指出的是,相比于其他异质结构中引入吸光材料,本研究的探测器结构中石墨烯作为主要吸光材料,在1.55微米波段光源工作条件下具有83 A/W的高响应率,以及600 nm的超快响应速度。

香港中文大学研究团队采用聚苯乙烯球阵列为模板,实现了在石墨烯表面构建具有三角形状的金纳米颗粒阵列。重要的是,通过调节金纳米颗粒的尺寸而调节其表面等离增强效果,从而可以实现将石墨烯在1.5微米波长附近的光吸收提高近一个数量级。

与此同时,与传统的石墨烯-半导体异质结不同(传统异质结内半导体吸收入射光产生光生载流子),本研究的石墨烯-硅异质结中,石墨烯吸收红外光从而贡献光生载流子,而异质结内建电场可以俘获石墨烯中的光生电子,这一机制可以有效地提高光生载流子的寿命,并实现快速的光响应。结合以上两种协同作用的机制,这一基于石墨烯的光电探测器在1.55微米波段光源的工作条件下,具有高响应率以及超快响应速度。

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。该研究工作近期发表在ACS Nano?上,文章通讯作者为香港中文大学许建斌教授与李昕明博士,第一作者是香港中文大学博士研究生陈泽锋。

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