石墨烯光电探测器

石墨烯光电探测器第一节纯石墨烯光电探测器2.1.1石墨烯光电探测的相关原理(a)(b)(c)(d)图2.1石墨烯光电探测原理(a)光伏效应；(b)光热电效应；(c)测辐射热效应；(d)辅助的等离子体波机制(引自[27])光伏电流来源于由不同掺杂区域连接处内部电场或外置电场所产生的光生墨烯和金属接触点的功函数差别来引入。石墨烯通道可为P型或N型。光电流的中扮演重要地位。由于这种强烈的电子-电子相互作用，光激电子对可以给载流子快速(~10-50fs)加热。因为光频声子能量上。最终热电子会与晶格之间得到平衡。光生热电子通过光热电效应(即PTE或塞贝克效应)产生光电压=))是不同掺杂石墨烯区(在V(-应dPdT的强度。间=[28]。石墨烯有很小的体积和很低的态密度，因而得到很低的和一个很高的响应度。这里不直接产生的光电流，而要求有外置的偏压，流子迁移率的改变；⑵对电流有贡献的载流子数目的改变(如PV效应)。光门效应是基于GRM载流子浓度n引起的光诱导的改变，因而其电导率=。第一，电子-空穴对的生成发生在GRM通过运用高迁移率的导体和长的响应时间，提高光电导的增益。同时，长的。同时，长的减慢了运行速度。因而这类探测器可以被用在低的噪声等效功率(NEP)和特殊的探测能力。子体波机制Dyakonov和Shur提出了一个光电探测的方案，即通过凭借场效应晶体管可以扮演一个等离子体波的腔体(即密度振荡)。这些等离子体波只受到微弱的阻挡(即在衰减完之前可从源极到达漏极)，辐射探测利用了等离子体波在腔体当中的相长干涉，从而引起共振的加强反应。在[29]中，由于THz辐射激发出的中2维的电子气体非线性的响应(在[30]中，包括2维电子气体流体动力学非线性2.1.2纯石墨烯光电探测器光电流的产生机理(a)(b)图2.2(a)上边：双通道的石墨烯探测器(拥有不同掺杂区域)对激光束的探测。下边：对应上面器件上扫描电流的分布；(b)热载流子(HC)和光伏效应分别产生的光电流与迁移率之间的关系((a)引自[55]，(b)引自[56])n抵制，这可以用来区别两者，如图2.2(b)。在石墨烯金属界面上的关于光响应面效果更加显著。于光的激励，石墨烯载流子变为热载流子，由于温差电效应导致光属-石墨烯-金属光电探测器(a)(b)图2.3(a)不对称金属的能带轮廓，PC为光电流；(b)拥有Pd-Ti不对称插指电极结构的石墨烯探测器(引自[57])其中金属-石墨烯-金属光电探测器的光电流受制于由各自金属与石墨烯接触来加强。另外，具有Fe夹层的石墨烯多分子层可实现一个全部基于石墨烯的前述中G-PD在两个电极附近均有光照时，由于相同的金属接触产生大小相等方向相反的内电场，从而导致等大反向的光电流，使得总光电流为零。2010年ThomasMueller等人提出了改进的不对称插指电极结构的石墨烯探测器(MSM-PD)，如图2.3(a)，(b)所示。其增加了有效的光探测区域，进而增加光探测率，又使无源漏偏压时的净光电流不为零，且实现零偏压/零暗电流(a)(b)图2.4(a)不同的数据流段中的一个覆盖图；(b)高频测试，显示了器件在高达40GHz的频率下仍然性能良好，插图是在不同的栅极电压下的光响应率(包括直流与高频交流测试)(引自[57])纯石墨烯光电探测器优点与不足于石墨烯的光电器件具有几个明显的优势：1)光与石墨烯强、和释放)，这意味着器件有在500GHz操作的潜能。4)石墨烯独特的光电性能以(a)(b)图2.4(a)单、双层石墨烯对光吸收情况；(b)单层石墨烯与理想狄拉克费米子之间透过滤的差异，内图为不同层数石墨烯透过率(引自[58])和短的载流子生载流子寿命太短(ps尺度),会导致一个低的内量子效率约为6–16%。2)光2.1.3几种增强石墨烯光电探测性能的方法石墨烯光电探测器的探测率相比于传统探测器而言还是很小，主要原因在吸收的几种方法一种增强光吸收的方法是把光集中到光学微型腔体或平面光子晶体的腔体(a)(b)图2.5(a)光电探测器分别在有/无微谐振腔时光电流随波长的响应图，插图为微谐振腔；(b)具有波导管的石墨烯探测器(引自[59])是在长波波段(L和U)能与Si光电探测器兼容的最理想候选材料之一。(a)(b)图2.6(a)带有等离子激元触角的SLG示意图；(b)探测红外光的石墨烯纳米带((a)引自[61]，(b)引自[62])触附近制作等离子增强纳米结构，如图2.6(a)，利用表面等离子激元与入射光。排列在Si上不同宽度的石墨烯纳米带被验证可以被看做是温度腔和可调IRb的那样，对于一个包含一系列140nm的石提高载流子收集能力的几种方法(a)(b)图2.7中间悬空的石墨烯光电探测器(a)结构原理示意图；(b)不同位置和偏压下的光探测率(引自[63])温度下样品的电流-电压特性曲线(引自[64])(b)在294K的电流-电压特性是线性的,而成为非线性和保持高度对称性表明载第二节石墨烯-量子点光电探测器2.2.1石墨烯-量子点光电探测器的研究背景进行了改进研究，但原理都是基于石墨烯与金属电极界面肖特基接触产生的势垒，其区域很小,远远小于整个器件的尺寸。因此，其它绝大部分石墨烯覆盖的--量子点本身较差的载流子迁移率(约)，很快的成核目前制备的量子点在放置一定时间后，会出现聚集等情况，导致荧光严重下降，为了充分利用石墨烯独特的光电性能，石墨烯-量子点复合材料光探测器就2.2.2石墨烯-量子点光电探测器的研究进展石墨烯-量子点光电探测的作用机制吸收光子来实现，然后再通过电子空穴的转移到导体内(光门效应)。(a)(b)(c)图2.9(a)和(c)分别为石墨烯-量子点光电探测器的正面和侧面；(b)量子点分离电子-空穴对的示意图(引自[64])量子点(QDs)拥有很强的光吸收率和能隙可调谐性(可通过调整尺寸来控制)，可覆盖从紫外到短红外的吸收范围。它们可以在不断变化中被处理，用旋CdSe量子点是研究量子点尺寸效应的典型体系，为其他半导体量子点的尺光学性质与石墨烯极高的载流子迁移率结合可得到一种理想的能量转换体系。的CdSe，石墨烯纳米复合材料的光响应性得到提高，但缺乏有力证据证明氧化墨烯被完全还原，因为X射线光电子能谱(XPS)显示石墨烯中还存在明显的环氧生电子和空穴对被分离，而且这些载流子可能传输到石墨烯片上。烯与CdSe量子点的复合材料。并用复合材料制备了柔性透明光电膜，提高了量通过桥联分子而非直接连接，因此光生载流子的传输效率仍受限制。rGO-ZnO光电探测器照开/关环境下的光电流随时间的变化曲线；(d)光响应过程(引自[66])(d)所示。在可见光照射下，GO-ZnO复合光探测器不用加偏压就有着显著的PbS量子点扫描电镜图；(c)相应的器件特性，黑/红色：无/有光照情况下的纯石墨烯，绿/态光照下的漏极电流随着时间的变化曲线(引自[66])A。，相比目前绝大多数石墨烯基光电探级的优势[65]。在高的QE(25%)情况下，其有约30-60Hz视WNEP这种混合系统对于可视光和SWIR方面的67]。Se2.12Ti-PbSeGPbSeTi测器的原理示意图，红色和蓝色的箭头分别代表偏；(b)PbSe/Ti纳米晶粒的高分辨率透射电镜mWdV应的探测灵敏度曲线(引自[68])从图2.12(b)可知，Ti与PbS都是以量子点的形式存在于石墨烯基底上，从图2.12(c)中有/无光照情况下光电流密度随偏压的变化曲线图可知，AA总的来说，虽然量子点-石墨烯的研究取得了一些结果，但仍不能满足实用尺寸大小不可控性，及受尺寸依赖的性质受到限制。第三节其他几种石墨烯光电探测器2.3.1石墨烯-半导体异质结光电探测器有一个有赖于半导体材料的势垒。由于暗电流很小，半导体-石墨烯光电探测器可运行在反偏电压下，相应谱带轮SLG(a)(b)图2.13(a)石墨烯-半导体异质结的能带轮廓，VB、CB分别为Si的价带和导带；(b)有无光照时石墨烯-半导体异质结的伏安特性曲线(引自[69])色虚线)脱离出来：由于小的偏压()导致光电流受到抑制，因为2.3.2基于石墨烯的辐射热测定器(a)(b)(c)图2.14(a)双通道双层石墨烯辐射热器的结构示意图；(b)石墨烯-铝辐射热探测器的结构示意图；(c)热电阻与温度的关系曲线((a)、(c)引自[71]，(b)引自[72])fW，固有带宽大于Hz石墨烯电阻与温度相关，这已被低温下的石墨烯探测薄膜实现了。2.3.3兆赫光电探测器m辨率的亚毫米级衍射的探测