石墨烯高性能光學器件研究獲進展 石墨烯光電探測器原理分析

【亞洲儀表網(wǎng)】近日，普渡大學、密西根大學和賓夕法尼亞州立大學的研究團隊聲稱，已解決阻礙石墨烯高性能光學器件的發(fā)展問題，石墨烯高性能光學器件可用于成像、顯示、傳感器和高速通信。

石墨烯高性能光學器件研究獲進展 石墨烯光電探測器原理分析

題為“由碳化硅襯底與微米量級石墨烯結(jié)合制成的光電晶體管的位置依賴和毫米范圍光電探測”的論文發(fā)表在《自然納米技術(shù)》雜志。該項目受到美國國家科學基金會和美國國土安全部的聯(lián)合資助，同時，它也受到國防威脅降低局的資助。

極薄碳層具有獨特的光學和電子性質(zhì)，石墨烯有希望制成高性能光電器件。然而，通常的石墨烯光電探測器僅有一小塊區(qū)域?qū)馐舾?，這限制了其應(yīng)用。

普渡大學陳勇教授說：“為解決該問題，研究人員將石墨烯與相對較大的SiC襯底相結(jié)合，制成了石墨烯場效應(yīng)晶體管，光可以將其激活。”

高性能光電探測器可用于高速通信、超靈敏相機、傳感和可穿戴電子器件。基于石墨烯的晶體管陣列可以實現(xiàn)高分辨率成像和顯示。

密歇根大學核工程與放射科學Igor Jovanovic教授說：“大部分相機需要很多像素點，然而，我們的方法使得超靈敏相機成為可能。雖然它的像素點相對較少，但是分辨率很高。”

Jovanovic教授說：“在通常的石墨烯光電探測器中，光響應(yīng)僅發(fā)生在石墨烯附近的特定位置(該區(qū)域比器件尺寸小得多)。然而，對許多光電器件應(yīng)用而言，希望在更大的區(qū)域上獲得光響應(yīng)和位置靈敏度?！?/p>

新發(fā)現(xiàn)表明，該器件可在非局部區(qū)域?qū)饷舾?，甚至當光照在距石墨烯至?00?m 的碳化硅襯底上時也對光敏感。光響應(yīng)和光電流可增加差不多10倍，這取決于照射哪一部分材料。此外，光電晶體管新技術(shù)也是位置靈敏的，因此它可以確定光線到達的位置(對于成像應(yīng)用和探測器非常重要)。

這是首次證明在較大的碳化硅晶片上使用一小塊石墨烯實現(xiàn)非局部光電探測，因此光不必擊中石墨烯本身。光線可以入射在一個更大的區(qū)域，幾乎是一毫米，之前沒有人做過相關(guān)研究。

將電壓施加在碳化硅背面和石墨烯之間，在碳化硅中建一個電場。入射光在碳化硅中產(chǎn)生光載流子。

該研究與開發(fā)石墨烯傳感器工作有關(guān)，石墨烯傳感器可用于檢測輻射。

陳勇教授說：“該論文與用于檢測光子的傳感器有關(guān)，但原理與其它輻射類型相同。我們正使用靈敏石墨烯晶體管探測光子產(chǎn)生的電場變化，在這種情況下，光與碳化硅襯底發(fā)生反應(yīng)?！?/p>

Jovanovic說：“光探測器可用于閃爍體，閃爍體可檢測輻射。電離輻射產(chǎn)生短暫的光照，閃爍體中的光電倍增管(約百年的老技術(shù))可檢測它。因此，開發(fā)可以實現(xiàn)相同功能、基于半導體的先進器件是非常有意思的事情?！?/p>

此外，研究人員也解釋了計算模型的其他發(fā)現(xiàn)。新型晶體管由普渡發(fā)現(xiàn)公園的比克納米技術(shù)中心制備。

未來研究將包括探索諸如閃爍體、天體物理學成像技術(shù)和高能輻射傳感器等工作。