石墨烯是開發高速、寬波長范圍光電探測器的理想材料。但是，由于石墨烯兩端兩個電極的每一個石墨烯/電極界面上的光電壓極性相反，它們在宏觀光照射到光電探測器時被抵消了。在本研究中，我們提出了兩種基于石墨烯的光電探測器，它們具有不同的非對稱器件結構，可以抑制兩電極界面上的光電壓抵消。其中一種光電探測器有一個局部蔭罩，只有石墨烯/電極界面的一側被金屬蔭罩遮蔽。另一種具有不同形狀的電極，通過使用梳狀電極，石墨烯/電極界面的接觸面積不同。通過掃描石墨烯光電探測器周圍的聚焦光，我們測量了光探測的位置依賴性，由于兩個光電探測器的非對稱結構，可以得到不對稱的光電電壓映射。此外，我們還證明了通過抑制光電壓抵消，光電探測器在可見光、近紅外光和中紅外光區域的宏觀光探測。這些非對稱結構的石墨烯基光電探測器適用于可見光、近紅外光和中紅外光區域寬波段的宏觀光電探測器。
圖1. 在其中一個石墨烯/電極界面上形成Ni掩膜的石墨烯基光電探測器的(a)原理圖、(b)光學顯微鏡圖像、(c)電流-電壓特性曲線。梳狀電極的石墨烯基光電探測器的(d)原理圖、(e)光學顯微鏡圖像、(f)電流-電壓特性曲線。
圖2. (a)探測可見光(690 nm)及NIR光(1310 nm和1530 nm)的測量裝置示意圖。利用步進電機工作臺移動樣品，改變激光光斑的位置。利用分光鏡檢測反射光，并通過攝像機調節照射位置。輸出信號由低噪聲前置放大器放大，并由鎖相放大器和頻譜分析儀測量。(b) MIR光(4.6μm)測量裝置示意圖。將可見光引入同一光路，調整MIR光的照射位置。輸出信號由低噪聲前置放大器放大，并由鎖相放大器測量。
圖3. Ni掩膜石墨烯基光電探測器原理圖及光探測機理。
圖4. Ni掩模石墨烯基光電探測器在(a)可見光(690 nm),70μW、和(b)NIR光(1310 nm),30μW時的光電壓圖。
圖5. 在不同的激光功率下，用光譜分析儀測量了宏觀(a)可見光(690 nm)和(b)NIR光(1530 nm)光輻照下，Ni掩模石墨烯光探測器的調制光探測(6049 Hz)。用Ni掩模石墨烯光電探測器在211 Hz時的鎖相放大器測量的 (c)可見光(690 nm)和(d) NIR(1530 nm)的光電壓光強相關性。紅色的線顯示線性擬合的結果。
圖6. 梳狀電極石墨烯光電探測器的光電檢測原理圖。
圖7. 在(a)可見光(690 nm), 70μW和(b)近紅外(1310 nm), 30μW照射下，梳狀電極石墨烯光電探測器的光電壓映射。
圖8. 利用光譜分析儀測量的宏觀(a)可見光(690 nm)和(b)NIR(1530 nm)光照射下，梳狀電極石墨烯光探測器的調制光檢測(6049 Hz)。梳狀電極的石墨烯光電探測器的(c)可見光(690 nm)和(d) NIR (1530 nm)的光電壓光強相關性。紅色的線顯示線性擬合的結果。
圖9. (a) Ni掩模和(b)梳狀電極的石墨烯光電探測器的宏觀MIR光電壓光強相關性。紅色的線顯示線性擬合的結果。
相關研究成果由日本慶應義塾大學應用物理及物理信息學系Kenta Shimomura等人于2021年發表在Carbon Trends (https://doi.org/10.1016/j.cartre.2021.100100)上。原文：Graphene photodetectors with asymmetric device structures on silicon chips。
相關研究成果由日本慶應義塾大學應用物理及物理信息學系Kenta Shimomura等人于2021年發表在Carbon Trends (https://doi.org/10.1016/j.cartre.2021.100100)上。原文：Graphene photodetectors with asymmetric device structures on silicon chips。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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