石墨烯高性能光学器件研究获进展 石墨烯光电探测器原理分析

题为“由碳化硅衬底与微米量级石墨烯结合制成的光电晶体管的位置依赖和毫米范围光电探测”的论文发表在《自然纳米技术》杂志。该项目受到美国国家科学基金会和美国国土安全部的联合资助，同时，它也受到国防威胁降低局的资助。

极薄碳层具有独特的光学和电子性质，石墨烯有希望制成高性能光电器件。然而，通常的石墨烯光电探测器仅有一小块区域对光束敏感，这限制了其应用。

普渡大学陈勇教授说：“为解决该问题，研究人员将石墨烯与相对较大的SiC衬底相结合，制成了石墨烯场效应晶体管，光可以将其激活。”

高性能光电探测器可用于高速通信、超灵敏相机、传感和可穿戴电子器件。基于石墨烯的晶体管阵列可以实现高分辨率成像和显示。

密歇根大学核工程与放射科学Igor Jovanovic教授说：“大部分相机需要很多像素点，然而，我们的方法使得超灵敏相机成为可能。虽然它的像素点相对较少，但是分辨率很高。”

Jovanovic教授说：“在通常的石墨烯光电探测器中，光响应仅发生在石墨烯附近的特定位置(该区域比器件尺寸小得多)。然而，对许多光电器件应用而言，希望在更大的区域上获得光响应和位置灵敏度。”

新发现表明，该器件可在非局部区域对光敏感，甚至当光照在距石墨烯至少500?m 的碳化硅衬底上时也对光敏感。光响应和光电流可增加差不多10倍，这取决于照射哪一部分材料。此外，光电晶体管新技术也是位置灵敏的，因此它可以确定光线到达的位置(对于成像应用和探测器非常重要)。

这是首次证明在较大的碳化硅晶片上使用一小块石墨烯实现非局部光电探测，因此光不必击中石墨烯本身。光线可以入射在一个更大的区域，几乎是一毫米，之前没有人做过相关研究。

将电压施加在碳化硅背面和石墨烯之间，在碳化硅中建一个电场。入射光在碳化硅中产生光载流子。

该研究与开发石墨烯传感器工作有关，石墨烯传感器可用于检测辐射。

陈勇教授说：“该论文与用于检测光子的传感器有关，但原理与其它辐射类型相同。我们正使用灵敏石墨烯晶体管探测光子产生的电场变化，在这种情况下，光与碳化硅衬底发生反应。”

Jovanovic说：“光探测器可用于闪烁体，闪烁体可检测辐射。电离辐射产生短暂的光照，闪烁体中的光电倍增管(约百年的老技术)可检测它。因此，开发可以实现相同功能、基于半导体的先进器件是非常有意思的事情。”

此外，研究人员也解释了计算模型的其他发现。新型晶体管由普渡发现公园的比克纳米技术中心制备。

未来研究将包括探索诸如闪烁体、天体物理学成像技术和高能辐射传感器等工作。