中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近紅外光電探測器在夜視監控、生物醫學(xué)、環(huán)境監測等諸多領(lǐng)域有廣泛應用。由于二維石墨烯材料具有獨特性質(zhì)（零帶隙結構、高載流子遷移率、功函數可調）使其在紅外探測領(lǐng)域具有巨大潛質(zhì)。為了充分利用石墨烯的優(yōu)勢，并克服其吸收率低、暗電流噪聲大的不足，研究者利用局域場(chǎng)調控設計混合結構以提高紅外探測器性能。
局域場(chǎng)增強可以簡(jiǎn)單描述為通過(guò)微觀(guān)局部空間中的強場(chǎng)增強光-物質(zhì)的相互作用和控制二維半導體中的載流子運動(dòng)來(lái)有效的挑戰器件性能，局域場(chǎng)增強的方式主要包括：光柵場(chǎng)增強、鐵電場(chǎng)增強、浮柵感應靜電場(chǎng)增強、層間內建場(chǎng)增強、溫度梯度場(chǎng)增強和表面等離子體增強，這些局域場(chǎng)通過(guò)增加光吸收、提高載流子分離效率抑制噪聲和放大光電增益來(lái)提高二維半導體探測的探測能力。
近期，電子科技大學(xué)王軍教授課題組在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“局域場(chǎng)增強石墨烯近紅外光電探測器”為主題的綜述文章。王軍教授主要從事室溫紅外-太赫茲探測相關(guān)材料與器件技術(shù)方面的研究工作。
這項研究總結了局域場(chǎng)增強石墨烯近紅外光電探測器的研究成果，介紹了單吸收層局域場(chǎng)增強器件并分析基于不同類(lèi)型感光材料器件的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步介紹了雙吸收層局域場(chǎng)增強器件，對筆者所做的雙吸收層器件中電流極性等相關(guān)研究進(jìn)行了簡(jiǎn)述。最后對局域場(chǎng)增強探測器相關(guān)功能拓展領(lǐng)域研究進(jìn)行了簡(jiǎn)介，對該類(lèi)器件的發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結和展望。
單吸收層局域場(chǎng)增強石墨烯探測器典型結構
單吸收層局域場(chǎng)增強石墨烯探測器：初期研究者們設計單組分材料作為吸光材料，包括量子點(diǎn)、二維材料、有機小分子/聚合物、單晶、鈣鈦礦等，將單一吸光材料與石墨烯構筑局域場(chǎng)增強探測器靈敏度。除了通過(guò)單組分材料與石墨烯形成的光柵局域場(chǎng)提高石墨烯探測器響應度，等離激元結構形成局域場(chǎng)增強也是提高二維材料光電探測器的有效策略。研究者將石墨烯等二維材料與金屬納米結構相結合，由于二維材料表面等離激元產(chǎn)生的局部電磁場(chǎng)可以有效增強光的吸收，從而使器件的性能及光譜選擇性得到顯著(zhù)提高。
表面等離子激元局域場(chǎng)增強石墨烯探測器典型結構
雙吸收層局域場(chǎng)增強石墨烯探測器：?jiǎn)挝諏硬牧闲纬傻木钟驁?chǎng)注入能力受限，設置異質(zhì)結形成內建局域場(chǎng)能夠更有效分離產(chǎn)生的光生載流子，進(jìn)而提升器件的光電特性。與石墨烯形成光柵結構的光電導探測器吸收材料能帶對電流極性有重要影響。
雙吸收層局域場(chǎng)增強石墨烯探測器典型結構
局域場(chǎng)拓展石墨烯基光電探測器功能主要有光子突觸仿生和光調制功能。利用電子設備來(lái)模擬生物突觸是邁向類(lèi)腦計算至關(guān)重要的一步，光子突觸兼具光敏性與突觸功能，具有提升信息處理速度和降低能耗的優(yōu)勢，是目前研究的新方向，局域場(chǎng)增強石墨烯光電探測器優(yōu)秀的光電探測能力為光子突觸提供了一個(gè)嶄新的平臺。另外，光電設備的光信號狀態(tài)可以被外部信號所調制改變，通常通過(guò)柵極電壓來(lái)調節光信號的幅度、速度等，如能通過(guò)外部光信號對器件的本征光信息進(jìn)行調制可以簡(jiǎn)化系統的電路復雜度以及降低能耗，因此研究光調制的光電器件對發(fā)展光邏輯、光通信等領(lǐng)域至關(guān)重要，石墨烯結合雙層異質(zhì)結構具有獨特的光生載流子輸運行為，其為設計光調制器件提供了一個(gè)平臺。
石墨烯異質(zhì)結全光調控光子突觸
這項研究簡(jiǎn)要概括了局域場(chǎng)增強型石墨烯近紅外光電探測器的一些最新研究成果及其功能擴展。這些工作主要依賴(lài)于光柵局域場(chǎng)調控二維石墨烯載流子濃度，賦予其出色的近紅外光探測能力。傳統的單層材料局域場(chǎng)調控器件因石墨烯與材料界面處能量損耗，限制了光生載流子的分離效率，導致相對較差的量子效率以及相對較長(cháng)的響應時(shí)間。而平面異質(zhì)結局域場(chǎng)提供了一個(gè)垂直方向的光生載流子分離電場(chǎng)，促進(jìn)了光生載流子的解離，并且響應時(shí)間提高到了微秒級別。然而，平面異質(zhì)結的光生載流子分離只限于結區附近，這使大部分光能沒(méi)有被充分利用?；诖?，體異質(zhì)結局域場(chǎng)調控被引入有效克服了平面異質(zhì)結有限的光電轉換效率，使局域場(chǎng)增強型石墨烯近紅外光電探測器的靈敏度可與工業(yè)上的硅光電探測器相媲美。
然而，目前局域場(chǎng)增強型石墨烯光電探測器的研究大多數集中在可見(jiàn)光和近紅外波段，在中遠紅外波段的探測性能普遍較低。提升探測器在中遠紅外乃至太赫茲波段的探測性能對于未來(lái)其應用于軍民等領(lǐng)域是至關(guān)重要的。目前，限制局域場(chǎng)增強型石墨烯探測器中遠紅外光電探測性能的重要原因是長(cháng)波材料的半導體能帶較窄，難以通過(guò)局域場(chǎng)有效的提取其光生載流子。因此，考慮如何避免長(cháng)波激發(fā)的光生載流子復合和長(cháng)波輻射的背景噪聲影響，并將光生載流子有效提取到石墨烯通道中，對下一步提升局域場(chǎng)增強型中長(cháng)波紅外光電探測器非常重要。
另一方面，隨著(zhù)人工智能、萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，迫切需要可以集成多種功能的光電系統。而局域場(chǎng)增強型石墨烯光電探測器在光邏輯、光通信、光存儲、機器視覺(jué)、神經(jīng)計算等領(lǐng)域的性能已被探索，并且其能夠制備在柔性襯底，可以實(shí)現大面積圖形化加工，因此多種功能集成的局域場(chǎng)增強型石墨烯光電器件也會(huì )備受關(guān)注。
該項目獲得國家自然科學(xué)基金（61922022，62175026）的支持。
