中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員周靖、陳效雙和陸衛團隊提出了等離激元納米諧振腔非對稱(chēng)集成的石墨烯紅外探測器件，揭示了該復合結構器件高對比度非對稱(chēng)光耦合的原理，驗證了基于非對稱(chēng)光耦合突破金屬-低維材料-金屬探測結構的兩大瓶頸問(wèn)題，實(shí)現了泛光照射下顯著(zhù)的自驅動(dòng)光響應，超越常規的等離激元耦合光柵1個(gè)量級。相關(guān)結果發(fā)表于《碳》（Carbon 170, 49 (2020)）雜志。
低維材料（如二維材料、納米線(xiàn)等）憑借不同尋常的優(yōu)異光電特性引起了廣泛研究，有望成為高性能探測器件的光敏材料。最常見(jiàn)的低維材料光電探測器件結構就是金屬-低維材料-金屬的結構。在低功耗、低暗電流的零偏壓工作模式下，器件的光響應主要來(lái)源于低維材料與金屬電極交界處的類(lèi)肖特基結。當入射光局域地照射在低維材料與金屬電極的交界處時(shí)，光伏、光熱電等物理機制會(huì )誘導出宏觀(guān)的光電流。金屬-低維材料-金屬的器件結構簡(jiǎn)單，不影響材料本身的優(yōu)異特性，而且便于和不同的系統集成。但這種器件有兩個(gè)主要瓶頸問(wèn)題：一是在均勻的泛光照射下低維材料與兩端金屬的接觸結產(chǎn)生大小相近、方向相反的光電流；兩者互相抵消，使器件沒(méi)有凈的光響應。采用異種金屬電極是一般的解決方案，但是制備異種金屬電極通常需要額外的工藝步驟，增加了制備復雜性，以及低維材料被污染、損壞的可能性。二是二維材料、納米線(xiàn)等低維材料尺度與光波長(cháng)有較大差距，嚴重制約了光吸收效率，特別是低維材料與金屬接觸結的光吸收。利用微納光子結構產(chǎn)生與低維探測材料交疊的亞波長(cháng)局域強光場(chǎng)，從而提高低維材料與光的相互作用是一個(gè)有效的增強光吸收的途徑，相關(guān)研究吸引了國際關(guān)注。那么，是否能夠利用微納光子結構誘導金屬-低維材料-金屬結構中非對稱(chēng)的光耦合，增強一端光敏材料-金屬接觸結的光吸收，并抑制另一端光敏材料-金屬接觸結的光吸收，同時(shí)解決金屬-低維材料-金屬器件的兩大瓶頸問(wèn)題而且不影響低維材料原有的光電特性，就具有重要研究意義。
為解決這一難題，上海技物所紅外物理國家重點(diǎn)實(shí)驗室周靖、陳效雙和陸衛團隊提出了等離激元納米諧振腔非對稱(chēng)集成的金屬-低維材料-金屬器件，并對其紅外光響應進(jìn)行了研究。以最常見(jiàn)的石墨烯為例，研究組把等離激元納米諧振腔與金屬-石墨烯-金屬的光探測結構進(jìn)行非對稱(chēng)集成，實(shí)現兩端石墨烯-電極交界處光響應105倍的差距（圖1（b，c）），以及泛光照射下器件整體的顯著(zhù)凈響應。該復合結構比一般等離激元耦合光柵對于石墨烯光響應的提升高出1個(gè)量級（圖1（d，e））。此外，光響應譜能夠通過(guò)結構參數自由調控（圖1（a，b））；響應時(shí)間小于幾個(gè)微秒（圖1（c，d））；等離激元納米諧振腔的一部分同時(shí)作為柵極能夠對石墨烯的光響應進(jìn)行有效調控。
該研究提出了同時(shí)解決金屬-低維材料-金屬器件的零偏壓工作模式兩大瓶頸問(wèn)題的新方法，有望推動(dòng)低維材料光探測的發(fā)展。博士生郭尚坤為第一作者，周靖和陳效雙為通訊作者。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目、中科院相關(guān)項目以及上海市科委計劃項目的支持。
