電場調控高回響度超快寬譜石墨烯光電探測器研究

《電場調控高回響度超快寬譜石墨烯光電探測器研究》是依託北京工業大學，由張永哲擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：電場調控高回響度超快寬譜石墨烯光電探測器研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張永哲
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

二維原子晶體石墨烯具有高達200,000cm2V-1s-1的載流子遷移率及從可見光到中紅外的超寬光譜吸收，是製備寬光譜超快光電探測器的最佳候選材料之一。然而，相對較弱的光吸收率（2.3%）及較短的激子壽命（ps量級）使得石墨烯光電探測器的回響度徘徊在mA/W量級。本項目中，我們擬採用外置電場調控的辦法提高其回響度：在石墨烯探測器溝道面內垂直方向製備非接觸電極，通過施加面內靜電場促使石墨烯光生激子分離；構建懸空狀態石墨烯探測器，通過施加法向垂直柵壓調控石墨烯內電荷濃度，藉助電荷受到的靜電力在石墨烯上施加非均勻力場進而調控石墨烯能帶結構，增強輻射熱效應且降低激子複合，提高光電回響度。通過該項目我們期望實現超快寬譜回響石墨烯光電探測器的高效光電轉化，揭示新型器件結構中載流子在特定電場下輸運與複合機制，同時該思路也可拓展到其它二維光電材料，為實現石墨烯及其它二維原子晶體材料的光電子學套用奠定基礎。

結題摘要

石墨烯是製備寬光譜超快光電探測器的最佳候選材料之一。然而，相對較弱的光吸收率（2.3%）及較短的激子壽命（ps量級）使得石墨烯光電探測器的回響度徘徊在mA/W量級。本項目中，首先完成製備可實現面內垂直電場施加的石墨烯光電探測器。面內垂直電場的施加，可有效地降低器件暗電流。進而完成製備可實現法向垂直電場施加的石墨烯光電探測器。法向垂直電場的施加，可有效打開石墨烯帶隙。當底柵柵壓為-1V時，光回響度為4.33A/W。提高石墨烯探測器光回響度三個數量級，同時器件回響時間到百毫秒級別。隨後完成製備可同時施加面內垂直電場，法向垂直電場的石墨烯光電探測器。雙場的施加，實現了光電流提升的同時，暗電流也被有效調控，器件探測率可達到1.518×10^9Jones。雙場調控石墨烯光電探測器實現了寬光譜，快速探測，高回響度的石墨烯光電探測器。將項目推廣到二硫化鉬光電探測器之中。在二硫化鉬垂直電場光電探測器中，實現器件回響速度可調。在-1V底柵柵壓下，二硫化鉬器件的回響時間可以縮短至40ms。隨後在面內垂直電場調控思路的啟發下，設計了面內同質結二硒化鉬光電探測器。-50V柵壓時，器件的回響度可達到519A/W，該方法有效地改善了單純的二硒化鉬光電探測器性能。最後在法向方向垂直電場調控思路的啟發下，設計了一種級聯能帶結構的硫化鉛量子點黑磷光電探測器。黑磷光電探測器的性能被有效改善，光回響度達到1.1×10^7A/W，探測率達到1.75×10^15Jones，等效噪聲功率下降到4.3×10^-7pW/Hz^1/2。對本項目成功推廣，更加印證了本項目的可行性。本項目初步實現了石墨烯及其它二維原子晶體材料的光電子學套用，為進一步推廣本項目打下堅實基礎。