石墨烯是開發(fā)高速、寬波長(zhǎng)范圍光電探測(cè)器的理想材料。但是，由于石墨烯兩端兩個(gè)電極的每一個(gè)石墨烯/電極界面上的光電壓極性相反，它們?cè)诤暧^光照射到光電探測(cè)器時(shí)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(cè)器，它們具有不同的非對(duì)稱器件結(jié)構(gòu)，可以抑制兩電極界面上的光電壓抵消。其中一種光電探測(cè)器有一個(gè)局部蔭罩，只有石墨烯/電極界面的一側(cè)被金屬蔭罩遮蔽。另一種具有不同形狀的電極，通過(guò)使用梳狀電極，石墨烯/電極界面的接觸面積不同。通過(guò)掃描石墨烯光電探測(cè)器周圍的聚焦光，我們測(cè)量了光探測(cè)的位置依賴性，由于兩個(gè)光電探測(cè)器的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以得到不對(duì)稱的光電電壓映射。此外，我們還證明了通過(guò)抑制光電壓抵消，光電探測(cè)器在可見光、近紅外光和中紅外光區(qū)域的宏觀光探測(cè)。這些非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的石墨烯基光電探測(cè)器適用于可見光、近紅外光和中紅外光區(qū)域?qū)挷ǘ蔚暮暧^光電探測(cè)器。
圖1. 在其中一個(gè)石墨烯/電極界面上形成Ni掩膜的石墨烯基光電探測(cè)器的(a)原理圖、(b)光學(xué)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(cè)器的(d)原理圖、(e)光學(xué)顯微鏡圖像、(f)電流-電壓特性曲線。
圖2. (a)探測(cè)可見光(690 nm)及NIR光(1310 nm和1530 nm)的測(cè)量裝置示意圖。利用步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)移動(dòng)樣品，改變激光光斑的位置。利用分光鏡檢測(cè)反射光，并通過(guò)攝像機(jī)調(diào)節(jié)照射位置。輸出信號(hào)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(cè)量。(b) MIR光(4.6μm)測(cè)量裝置示意圖。將可見光引入同一光路，調(diào)整MIR光的照射位置。輸出信號(hào)由低噪聲前置放大器放大，并由鎖相放大器測(cè)量。
圖3. Ni掩膜石墨烯基光電探測(cè)器原理圖及光探測(cè)機(jī)理。
圖4. Ni掩模石墨烯基光電探測(cè)器在(a)可見光(690 nm),70μW、和(b)NIR光(1310 nm),30μW時(shí)的光電壓圖。
圖5. 在不同的激光功率下，用光譜分析儀測(cè)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(cè)器的調(diào)制光探測(cè)(6049 Hz)。用Ni掩模石墨烯光電探測(cè)器在211 Hz時(shí)的鎖相放大器測(cè)量的 (c)可見光(690 nm)和(d) NIR(1530 nm)的光電壓光強(qiáng)相關(guān)性。紅色的線顯示線性擬合的結(jié)果。
圖6. 梳狀電極石墨烯光電探測(cè)器的光電檢測(cè)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(cè)器的光電壓映射。
圖8. 利用光譜分析儀測(cè)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(cè)器的調(diào)制光檢測(cè)(6049 Hz)。梳狀電極的石墨烯光電探測(cè)器的(c)可見光(690 nm)和(d) NIR (1530 nm)的光電壓光強(qiáng)相關(guān)性。紅色的線顯示線性擬合的結(jié)果。
圖9. (a) Ni掩模和(b)梳狀電極的石墨烯光電探測(cè)器的宏觀MIR光電壓光強(qiáng)相關(guān)性。紅色的線顯示線性擬合的結(jié)果。
相關(guān)研究成果由日本慶應(yīng)義塾大學(xué)應(yīng)用物理及物理信息學(xué)系Kenta Shimomura等人于2021年發(fā)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(guān)研究成果由日本慶應(yīng)義塾大學(xué)應(yīng)用物理及物理信息學(xué)系Kenta Shimomura等人于2021年發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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