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激光与光电子等诅展 52.10000 & Optoelectronics Progress2015(中国激光)杂志社 石墨烯红外光电探测器研究进展 杨花曹阳2贺军辉2杨巧文 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京100083 中国科学院理化技术研究所微纳材料与技术研究中心功能纳米材料实验室,北京100190 摘要红外光电探测器是将入射的不可见的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外光电探测器在多个行业 均有广泛用途。近年来,石墨烯由于具有从紫外至远红外的宽光谱吸收特性、室温下超高的载流子迁移率、良好的机 械柔韧性和环境稳定性等优异性能,使其在超宽谱、超快、非制冷、大面阵、柔性和长寿命光电探测器方面极具潜力 引起了国内外对石墨烯光电探测器的广泛研究。重点闸述了近年来国内外在石墨烯红外光电探测器方面的最新研 究进展,主要包括近红外(076~1 波红外(1~3m)、中波红外(3-5m)、长波红外(8~12um)和超宽谱石墨烯 光电探测器。 关键词探测器;红外探测;光电转换;石墨烯 中图分类号O439 文献标识码A doi:103788/LOP52.110003 Research Progress in Graphene-Based Infrared Photodetectors Yang Hua Cao Yang" He Junhui" Yang Qiaowen' School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, Chine Functional Nanomaterials Laboratory, Center for Micro/Nanomaterials and Technology, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China Abstract Infrared photodetector is a device that can transform invisible infrared radiation into electrical signal It is widely used in many industries. Recent years, graphene has aroused extensive attention among scientists and ngineers in optoelectronic fields due to its unique properties such as wide spectral absorption from ultraviolet to far-infrared, ultrahigh carrier mobility at room temperature, good mechanical flexibility and environmental stability These characteristics make it promising in fabricating ultra-wide spectrum, ultrafast, uncooled, large area array, fexible and long-life photodetectors. The latest research progress in graphene-based infrared photodetectors are reviewed. It mainly includes near-infrared (0.76-1 um), short-wave infrared (1-3 um), medium-wave infrared 3 5 um), long-wave infrared(8-12 um) and ultra-wide spectrum graphene photodetectors Key words detectors; infrared detection; photovoltaic conversion; graphene OCIS codes120.1880;130.0250;130.3060;160.4236 1引言 自然界中,一切温度在绝对零度(-27315K)以上的物体,都会因自身的分子和原子的无规则运动而不 停地向周围空间辐射红外线。物体中的分子和原子运动愈剧烈,红外辐射的能量愈大;反之,红外辐射的能 量愈小。由于红外辐射的波长介于可见光与微波之间,人眼察觉不到。因此,利用红外探测器测定目标本 身和背景之间的红外辐射差,可以得到目标的红外图像,称为热图像2。同一目标的热图像和可见光图像 收稿日期:2015-05-05;收到修改稿日期:2015-06-04:;网络出版日期:2015-10-2 基金项目:国家自然科学基金(11104283) 作者简介:杨花(1988-),女,硕士研究生,主要从事光电功能材料及红外探测器应用方面的研究 E-mail:13126780635@163com 导师简介:贺军辉(1965-),男,博士,研究员,主要从事功能纳米材料方面的研究 E- mail: jhhe@ mail. ipc.accn(通信联系人) 110003-1
52, 110003(2015) 激光与光电子学进展 Laser & Optoelectronics Progress ©2015《中国激光》杂志社 110003-1 石墨烯红外光电探测器研究进展 杨 花 1,2 曹 阳 2 贺军辉 2 杨巧文 1 1 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院, 北京 100083 2 中国科学院理化技术研究所微纳材料与技术研究中心功能纳米材料实验室, 北京 100190 摘要 红外光电探测器是将入射的不可见的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外光电探测器在多个行业 均有广泛用途。近年来，石墨烯由于具有从紫外至远红外的宽光谱吸收特性、室温下超高的载流子迁移率、良好的机 械柔韧性和环境稳定性等优异性能，使其在超宽谱、超快、非制冷、大面阵、柔性和长寿命光电探测器方面极具潜力， 引起了国内外对石墨烯光电探测器的广泛研究。重点阐述了近年来国内外在石墨烯红外光电探测器方面的最新研 究进展，主要包括近红外(0.76~1 μm)、短波红外(1~3 μm)、中波红外(3~5 μm)、长波红外(8~12 μm)和超宽谱石墨烯 光电探测器。 关键词 探测器; 红外探测; 光电转换; 石墨烯 中图分类号 O439 文献标识码 A doi: 10.3788/LOP52.110003 Research Progress in Graphene-Based Infrared Photodetectors Yang Hua1,2 Cao Yang2 He Junhui2 Yang Qiaowen1 1 School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China 2 Functional Nanomaterials Laboratory, Center for Micro/Nanomaterials and Technology, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China Abstract Infrared photodetector is a device that can transform invisible infrared radiation into electrical signal. It is widely used in many industries. Recent years, graphene has aroused extensive attention among scientists and engineers in optoelectronic fields due to its unique properties such as wide spectral absorption from ultraviolet to far-infrared, ultrahigh carrier mobility at room temperature, good mechanical flexibility and environmental stability. These characteristics make it promising in fabricating ultra-wide spectrum, ultrafast, uncooled, large area array, flexible and long-life photodetectors. The latest research progress in graphene-based infrared photodetectors are reviewed. It mainly includes near-infrared (0.76~1 μm), short-wave infrared (1~3 μm), medium-wave infrared (3~ 5 μm), long-wave infrared (8~12 μm) and ultra-wide spectrum graphene photodetectors. Key words detectors; infrared detection; photovoltaic conversion; graphene OCIS codes 120.1880; 130.0250; 130.3060; 160.4236 1 引 言 自然界中，一切温度在绝对零度(-273.15 K)以上的物体，都会因自身的分子和原子的无规则运动而不 停地向周围空间辐射红外线。物体中的分子和原子运动愈剧烈，红外辐射的能量愈大；反之，红外辐射的能 量愈小。由于红外辐射的波长介于可见光与微波之间，人眼察觉不到。因此，利用红外探测器测定目标本 身和背景之间的红外辐射差，可以得到目标的红外图像，称为热图像[1-2] 。同一目标的热图像和可见光图像 收稿日期: 2015-05-05; 收到修改稿日期: 2015-06-04; 网络出版日期: 2015-10-20 基金项目: 国家自然科学基金(11104283) 作者简介: 杨 花(1988—)，女，硕士研究生，主要从事光电功能材料及红外探测器应用方面的研究。 E-mail: 13126780635@163.com 导师简介: 贺军辉(1965—)，男，博士，研究员，主要从事功能纳米材料方面的研究。 E-mail: jhhe@mail.ipc.ac.cn(通信联系人)
003(201 激光与光电子学讯 www.opticsjournal.net 不同,它不是人眼所能看到的可见光图像,而是目标表面温度分布的图像。红外探测,可以实现对目标进行 远距离热状态图像成像和测温,并可进行智能分析与判断。 随着红外探测器件的迅速发展、生产成本的下降,红外探测技术被广泛应用于工业、农业、医学、交通等 各个行业,如工厂机器检测、电力在线检测、铁路车辆轴温探测、焊接板材检测、矿产资源勘探、地下矿井测 温测气、农作物长势及病虫害监测、环保监测、医学诊断等 传统的基于碲镉汞、量子阱η、Ⅱ型超晶格材料的红外探测器,虽然性能优异,但材料制备困难,且 材料在低温下工作,探测器成本高。石墨烯是一种有价值的新材料,室温下超高的载流子迁移率圓、超宽的 光吸收谱ˉ瑚从紫外至远红外),使得石墨烯在实现非制冷、高速、宽光谱的低成本红外探测方面极具潜力。 石墨烯是碳的二维同素异形体,尽管在理论上石墨烯很早就被关注,但真正意义上对它的广泛研究始 于2004年。2004年英国曼彻斯特大学的Geim等利用简单的胶带粘揭方法获得了独立存在的二维石墨烯 晶体,还观察到了其一系列前所未有的电学性质,并获得了2010年的诺贝尔物理学奖 石墨烯是由sp°碳原子以六边形晶格构成的二维单原子层结构",它是构成碳元素其他几种重要同素异 形体的基本组件,一定形状的石墨烯闭合可构成零维富勒烯,卷曲可构成一维碳纳米管,多层堆叠可构成三 维石墨-。这也提供了最简单的制备石墨烯的方法,从石墨中剥离得到单层石墨烯。近几年,关于石墨烯 红外探测器的研究已成为石墨烯研究领域的一个新兴热点,本文将对国内外在石墨烯红外光电探测器领域 的研究进展进行系统阐述。 2石墨烯的性质 2.1石墨烯的电荷传输性质 单层石墨烯的能带结构可以用紧束缚模型计算得到剛,其原胞包含两个等价的碳原子,晶格键长 0.142nm,晶体薄膜的厚度约0.3354nm。这种特殊的晶体结构导致了石墨烯的独特电子能带结构,理想的 石墨烯能带结构是完全对称的锥形,价带和导带对称地分布在费米能级上下,导带和价带的交叉点即为狄 拉克点。这种特殊的能带结构使得石墨烯和其他绝大多数二维材料不同,是一个零带隙半导体。此外, 整个石墨烯分子结构中的键相互共轭形成了巨大的共轭大π键,电子或空穴在如此巨大的共轭体系中能以 很高的费米速率移动,表现出零质量行为 基于上述特性,石墨烯中的载流子(也称为狄拉克费米子)具有非同一般的传输性能。载流子能够以近 乎光速的速度移动,因此石墨烯具有很高的电荷迁移率2×10°cm2/(Vs)22,该迁移率基本不受温度影响,其 相应的电阻率也很低,成为目前已知物质中室温电阻率最低的材料。石墨烯中电子和空穴的高迁移率,可 以大大提高红外探测器的响应速度,对于制备超快的红外光探测器有着诱人的前景 22石墨烯的光学性质 单原子层厚度的石墨烯在宽光谱范围内(从紫外至远红外)可以吸收约2.3%的垂直入射光2,因此可 以制作超宽谱光探测器。在寡层石墨烯(FLG)中,可以认为每一层石墨烯都是受到邻近层极小扰动的二维 电子气,在光学上等效为几乎互相没有作用的单层石墨烯的叠加。单、双层石墨烯的光吸收现象为,当光能 量足够强时,电子跃迁速率大于带间弛豫速率,导带底被电子填满,同时价带顶被空穴填满,吸收过程达到 饱和。由于其零带隙的特征悶,石墨烯很容易变得光饱和。因此,石墨烯对光具有较低的饱和通量 23石墨烯的力学性质 石墨烯的杨氏模量高达1.0TPa,其断裂强度高达42Nm-,是钢的200倍。而且,石墨烯具有极高的硬 度,可达300-400Nm-,被认为是目前最硬的材料。结合石墨烯的耐酸碱、耐高低温等极好的环境稳定 性,可以制备稳定长寿命的石墨烯光电探测器。 3石墨烯的制备 3.1机械剥离法 机械剥离法是最早用于制备石墨烯的方法,利用外加作用力剥离石墨片来获得石墨烯。机械剥离法可以 获得缺陷极少的高质量石墨烯,因此该法制得的石墨烯特别适合于进行石墨烯的基本物理性质硏究甽。由于 此法制备的石墨烯尺寸在微米量级,因此,仅适用于制作微型石墨烯光电器件,不适宜制作大面阵光电器件。 110003-2
52, 110003(2015) 激光与光电子学进展 www.opticsjournal.net 110003- 不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布的图像。红外探测，可以实现对目标进行 远距离热状态图像成像和测温，并可进行智能分析与判断[3] 。 随着红外探测器件的迅速发展、生产成本的下降，红外探测技术被广泛应用于工业、农业、医学、交通等 各个行业，如工厂机器检测、电力在线检测、铁路车辆轴温探测、焊接板材检测、矿产资源勘探、地下矿井测 温测气、农作物长势及病虫害监测、环保监测、医学诊断等。 传统的基于碲镉汞[4-5] 、量子阱[6-7] 、II 型超晶格材料[8-9] 的红外探测器，虽然性能优异，但材料制备困难,且 材料在低温下工作，探测器成本高。石墨烯是一种有价值的新材料，室温下超高的载流子迁移率[10] 、超宽的 光吸收谱[11-15] (从紫外至远红外)，使得石墨烯在实现非制冷、高速、宽光谱的低成本红外探测方面极具潜力。 石墨烯是碳的二维同素异形体，尽管在理论上石墨烯很早就被关注，但真正意义上对它的广泛研究始 于 2004 年。2004 年英国曼彻斯特大学的 Geim 等[16] 利用简单的胶带粘揭方法获得了独立存在的二维石墨烯 晶体，还观察到了其一系列前所未有的电学性质，并获得了 2010 年的诺贝尔物理学奖。 石墨烯是由 sp2 碳原子以六边形晶格构成的二维单原子层结构[16] ，它是构成碳元素其他几种重要同素异 形体的基本组件，一定形状的石墨烯闭合可构成零维富勒烯，卷曲可构成一维碳纳米管，多层堆叠可构成三 维石墨[17-18] 。这也提供了最简单的制备石墨烯的方法，从石墨中剥离得到单层石墨烯。近几年，关于石墨烯 红外探测器的研究已成为石墨烯研究领域的一个新兴热点，本文将对国内外在石墨烯红外光电探测器领域 的研究进展进行系统阐述。 2 石墨烯的性质 2.1 石墨烯的电荷传输性质 单层石墨烯的能带结构可以用紧束缚模型计算得到[19] ，其原胞包含两个等价的碳原子，晶格键长 0.142 nm，晶体薄膜的厚度约 0.3354 nm。这种特殊的晶体结构导致了石墨烯的独特电子能带结构，理想的 石墨烯能带结构是完全对称的锥形，价带和导带对称地分布在费米能级上下，导带和价带的交叉点即为狄 拉克点[20-21] 。这种特殊的能带结构使得石墨烯和其他绝大多数二维材料不同，是一个零带隙半导体。此外， 整个石墨烯分子结构中的键相互共轭形成了巨大的共轭大π键，电子或空穴在如此巨大的共轭体系中能以 很高的费米速率移动，表现出零质量行为[22] 。 基于上述特性，石墨烯中的载流子(也称为狄拉克费米子)具有非同一般的传输性能。载流子能够以近 乎光速的速度移动，因此石墨烯具有很高的电荷迁移率 2×105 cm2 /(Vs)[23-24] ，该迁移率基本不受温度影响，其 相应的电阻率也很低，成为目前已知物质中室温电阻率最低的材料。石墨烯中电子和空穴的高迁移率，可 以大大提高红外探测器的响应速度，对于制备超快的红外光探测器有着诱人的前景。 2.2 石墨烯的光学性质 单原子层厚度的石墨烯在宽光谱范围内(从紫外至远红外)可以吸收约 2.3%的垂直入射光[25-27] ，因此可 以制作超宽谱光探测器。在寡层石墨烯(FLG)中，可以认为每一层石墨烯都是受到邻近层极小扰动的二维 电子气，在光学上等效为几乎互相没有作用的单层石墨烯的叠加。单、双层石墨烯的光吸收现象为，当光能 量足够强时，电子跃迁速率大于带间弛豫速率，导带底被电子填满，同时价带顶被空穴填满，吸收过程达到 饱和。由于其零带隙的特征[28] ，石墨烯很容易变得光饱和。因此，石墨烯对光具有较低的饱和通量。 2.3 石墨烯的力学性质 石墨烯的杨氏模量高达 1.0 TPa，其断裂强度高达 42 Nm-1 ，是钢的 200 倍。而且，石墨烯具有极高的硬 度，可达 300~400 Nm-1 ，被认为是目前最硬的材料[29-30] 。结合石墨烯的耐酸碱、耐高低温等极好的环境稳定 性，可以制备稳定长寿命的石墨烯光电探测器。 3 石墨烯的制备 3.1 机械剥离法 机械剥离法是最早用于制备石墨烯的方法，利用外加作用力剥离石墨片来获得石墨烯。机械剥离法可以 获得缺陷极少的高质量石墨烯，因此该法制得的石墨烯特别适合于进行石墨烯的基本物理性质研究[31] 。由于 此法制备的石墨烯尺寸在微米量级，因此，仅适用于制作微型石墨烯光电器件，不适宜制作大面阵光电器件。 2
B2.1000 激光与光电子学讯 www.optics journal.net 32siC外延生长法 该方法一般是通过在高真空或高压下加热(大于1000℃)6H-SiC单晶表面,当表层硅原子气化后,剩下 的碳原子在冷却时重新堆积,在内层碳化硅上外延生长形成石墨烯。但通常得到的石墨烯表面不够光 滑,且晶粒尺寸较小(30-200nm)。而后, Emtsev等在SiC外延生长石墨烯方面取得了重大进步,在约 lbar氩气气氛下退火,siC表面原位外延生长出表面光滑、尺寸较大的单层石墨烯,载流子迁移率为= 2000cmVs。但是,由于SC外延生长法条件苛刻(高温、高真空)、且制造的石墨烯不易从衬底上分离,因 此难以成为大量制备石墨烯的方法。 33化学气相沉积法 制备高质量、大面积的石墨烯是实现石墨烯规模化应用的重要前提。化学气相沉积法(CVD)是可控制 备大面积石墨烯的一种有效方法國。将一些前驱体气体如乙烯、甲烷等加热至一定温度,分解的碳原子通过 高温退火沉积在催化基底如金属薄膜、金属单晶或多晶等表面形成石墨烯。通过CVD方法制备的单层和 多层大面积石墨烯,能成功地从催化基底上转移到其他基底上。而且,通过CVD法获得的石墨烯片, 电阻低至809·cm2,载流子迁移率高达3700cmVs-,透光率高达90%,具有优异的电学和光学性能,在大 面阵的光电探测器制备方面具有重要的应用价值。 34氧化还原法 氧化还原法是目前制备石墨烯最为广泛的方法之一。基本原理是,以石墨为原料,先用强质子酸处理, 形成石墨插层化合物,然后加入强氧化剂对其进行氧化,从而在石墨烯表面引入含氧官能团,形成氧化石墨 烯,最后再通过还原方法将其还原,得到不同大小和厚度的还原氧化石墨烯(RGO)。还原氧化石墨烯可以通 过化学合成的方法从天然石墨大量制得,成本低廉、制备工艺简单叫。另外,还原氧化石墨烯可以稳定地 分散在溶液中,通过滴涂、旋涂、层层自组装等方法涂敷在多种基底上,形成大面积、均匀的石墨烯薄膜,可 应用于大规模光伏、大面阵光电子器件以及大面积电化学器件中。 4石墨烯红外光电探测器 2009年,自Kia等闿利用机械剥离的石墨烯制备出了第一个石墨烯光电探测器后,石墨烯光电探测器的 研究进入盛行阶段,科学家们也分别制备了不同波段的石墨烯红外光电探测器。主要根据红外波段的划 分,重点阐述近几年来国内外在近红外(0.76-1μm)、短波红外(1-3pm)、中波红外(3-5m)、长波红外(8- 12μm)和超宽谱红外探测器方面的研究进展 4.1近红外(0.76~1μm)石墨烯光探测器 石墨烯非凡的电子和光学性质使得石墨烯在光子学和光电学方面具有很大的潜力,包括高速光电探测 器、光学调节器、等离子设备和超快激光等。但是石墨烯较弱的光吸收能力(单原子层光吸收率为2.3%)是阻 碍石墨烯光探测器响应率提高的主要原因之一,利用光学共振腔是提高石墨烯光吸收的一种有效的方法。 2012年, Furci等将石墨烯与法布里-帕罗干涉腔集成制作石墨烯微腔探测器(GMPD),结构如图1,采用 两个布拉格反射镜构成高精度的平面微腔,吸光的石墨烯层夹在镜子中间,光子在底部和顶部镜子之间反 弹多次通过石墨烯层,而且,通过调控缓冲层SiN4的厚度,将石墨烯置于腔内干涉增强的最大值处,如图1 (b)所示,显著提高石墨烯的光吸收率。传递矩阵计算结果[图1(c)虚线]和实际测量结果[图1(c)实线],均表 明在共振波长为A=855nm处,单层石墨烯光吸收率超过60%,与没有采用微腔装置相比,光吸收率提高了26 倍。双层石墨烯器件的光谱光响应率(图2)表明,在波长为λ=864.5nm,光功率为50μW照射下,光响应电 流达到1.05μA,光响应率达21mA·W-,比传统的双层石墨烯光探测器高一个数量级。其原因是光学共振 腔有效增强了石墨烯对共振波长的光的吸收率,进而提高了器件的光电流,实现了高响应率的探测。这种 微腔集成的做法也可以应用到其他石墨烯器件中,如电子吸收调节器、变量光衰减器、光发射器等。但因共 振腔只能增强特定波段的光吸收,故在宽光谱探测增强方面受到了一定限制。 2014年Zhao等报道了另一种增强石墨烯光吸收的方法,与金属光栅结合的石墨烯探测器,由于金属 光栅的磁性共振产生了局域强电场,使单原子层厚度的石墨烯的光吸收率显著提高,达到70%左右。此外, 金属光栅的共振频率基本上不受附加石墨烯层的影响,这为下一代基于石墨烯的光电器件的设计提供了新 110003-3
52, 110003(2015) 激光与光电子学进展 www.opticsjournal.net 110003- 3.2 SiC 外延生长法 该方法一般是通过在高真空或高压下加热(大于 1000 ℃) 6H-SiC 单晶表面，当表层硅原子气化后，剩下 的碳原子在冷却时重新堆积，在内层碳化硅上外延生长形成石墨烯[32] 。但通常得到的石墨烯表面不够光 滑，且晶粒尺寸较小(30~200 nm)[33] 。而后，Emtsev 等[34] 在 SiC 外延生长石墨烯方面取得了重大进步，在约 1 bar 氩气气氛下退火，SiC 表面原位外延生长出表面光滑、尺寸较大的单层石墨烯，载流子迁移率为 m= 2000 cm2 V-1 s -1 。但是，由于 SiC 外延生长法条件苛刻(高温、高真空)、且制造的石墨烯不易从衬底上分离，因 此难以成为大量制备石墨烯的方法。 3.3 化学气相沉积法 制备高质量、大面积的石墨烯是实现石墨烯规模化应用的重要前提。化学气相沉积法(CVD)是可控制 备大面积石墨烯的一种有效方法[35] 。将一些前驱体气体如乙烯、甲烷等加热至一定温度，分解的碳原子通过 高温退火沉积在催化基底如金属薄膜、金属单晶或多晶等表面形成石墨烯[36] 。通过 CVD 方法制备的单层和 多层大面积石墨烯，能成功地从催化基底上转移到其他基底上[37-38] 。而且，通过 CVD 法获得的石墨烯片[37] ， 电阻低至 80 W·cm-2 ，载流子迁移率高达 3700 cm2 V-1 s -1 ，透光率高达 90%，具有优异的电学和光学性能，在大 面阵的光电探测器制备方面具有重要的应用价值。 3.4 氧化还原法 氧化还原法是目前制备石墨烯最为广泛的方法之一。基本原理是，以石墨为原料，先用强质子酸处理， 形成石墨插层化合物，然后加入强氧化剂对其进行氧化，从而在石墨烯表面引入含氧官能团，形成氧化石墨 烯，最后再通过还原方法将其还原，得到不同大小和厚度的还原氧化石墨烯(RGO)。还原氧化石墨烯可以通 过化学合成的方法从天然石墨大量制得，成本低廉、制备工艺简单[39-41] 。另外，还原氧化石墨烯可以稳定地 分散在溶液中，通过滴涂、旋涂、层层自组装等方法涂敷在多种基底上，形成大面积、均匀的石墨烯薄膜，可 应用于大规模光伏、大面阵光电子器件以及大面积电化学器件中。 4 石墨烯红外光电探测器 2009 年，自 Xia 等[42] 利用机械剥离的石墨烯制备出了第一个石墨烯光电探测器后，石墨烯光电探测器的 研究进入盛行阶段，科学家们也分别制备了不同波段的石墨烯红外光电探测器。主要根据红外波段的划 分，重点阐述近几年来国内外在近红外（0.76~1 μm）、短波红外(1~3 μm)、中波红外(3~5 μm)、长波红外(8~ 12 μm)和超宽谱红外探测器方面的研究进展。 4.1 近红外(0.76~1 μm)石墨烯光探测器 石墨烯非凡的电子和光学性质使得石墨烯在光子学和光电学方面具有很大的潜力，包括高速光电探测 器、光学调节器、等离子设备和超快激光等。但是石墨烯较弱的光吸收能力(单原子层光吸收率为 2.3%)是阻 碍石墨烯光探测器响应率提高的主要原因之一，利用光学共振腔是提高石墨烯光吸收的一种有效的方法。 2012 年，Furchi 等[43] 将石墨烯与法布里-帕罗干涉腔集成制作石墨烯微腔探测器(GMPD)，结构如图 1，采用 两个布拉格反射镜构成高精度的平面微腔，吸光的石墨烯层夹在镜子中间，光子在底部和顶部镜子之间反 弹多次通过石墨烯层，而且，通过调控缓冲层 Si3N4的厚度，将石墨烯置于腔内干涉增强的最大值处，如图 1 (b)所示，显著提高石墨烯的光吸收率。传递矩阵计算结果[图 1(c)虚线]和实际测量结果[图 1(c)实线]，均表 明在共振波长为 l=855 nm 处，单层石墨烯光吸收率超过 60%，与没有采用微腔装置相比，光吸收率提高了 26 倍。双层石墨烯器件的光谱光响应率(图 2)表明，在波长为 l=864.5 nm，光功率为 50 μW 照射下，光响应电 流达到 1.05 μA，光响应率达 21 mA·W-1 ，比传统的双层石墨烯光探测器高一个数量级。其原因是光学共振 腔有效增强了石墨烯对共振波长的光的吸收率，进而提高了器件的光电流，实现了高响应率的探测。这种 微腔集成的做法也可以应用到其他石墨烯器件中，如电子吸收调节器、变量光衰减器、光发射器等。但因共 振腔只能增强特定波段的光吸收，故在宽光谱探测增强方面受到了一定限制。 2014 年 Zhao 等[44] 报道了另一种增强石墨烯光吸收的方法，与金属光栅结合的石墨烯探测器，由于金属 光栅的磁性共振产生了局域强电场，使单原子层厚度的石墨烯的光吸收率显著提高，达到 70%左右。此外， 金属光栅的共振频率基本上不受附加石墨烯层的影响，这为下一代基于石墨烯的光电器件的设计提供了新 3
003(201 激光与光电子学讯 www.opticsjournalnet 880 图1(a)GMPD示意图;(b)腔体内电场强度分布图;(c)单层石墨烯光探测器的光谱响应曲线 Fig. I (a) Schematic drawing of a GMPD; (b)electric field amplitude inside cavity; (e) spectral response of single-layer graphene device 100迟 10 cavity enhanced 60 Wavelength a/nm 图2双层石墨烯光探测器的光谱响应曲线 Fig2 Spectral response of the bilayer graphene device 思路和方法。 除了石墨烯自身较低的光吸收率,石墨烯缺乏光增益也限制了石墨烯光电探测器的光响应率。Σ012年 Konstantatos等在单层或双层石墨烯上覆盖一薄层PbS胶体量子点成功制作了PbS量子点修饰的石墨烯 450600 light quantum dots A99999999 (c)1×10 small quantum dots graphen 6008001000120014001600 /HA 图3(a)石墨烯-量子点复合器件原理图;(b)532mm的I-t特性;(c)覆盖小尺寸PbS量子点的光响应率 . 3(a) Schematic of graphene- quantum dot device;(b)I-t characterizations of device for a wavelength of 532 nn (c) spectral responsivity of phototransistor with small Pbs quantum dots
52, 110003(2015) 激光与光电子学进展 www.opticsjournal.net 110003- 图 1 (a) GMPD 示意图; (b) 腔体内电场强度分布图; (c) 单层石墨烯光探测器的光谱响应曲线 Fig.1 (a) Schematic drawing of a GMPD; (b) electric field amplitude inside cavity; (c) spectral response of single-layer graphene device 图 2 双层石墨烯光探测器的光谱响应曲线 Fig.2 Spectral response of the bilayer graphene device 思路和方法。 除了石墨烯自身较低的光吸收率，石墨烯缺乏光增益也限制了石墨烯光电探测器的光响应率。2012 年 Konstantatos 等[45] 在单层或双层石墨烯上覆盖一薄层 PbS 胶体量子点成功制作了 PbS 量子点修饰的石墨烯 图 3 (a) 石墨烯-量子点复合器件原理图; (b) 532 nm 的 I-t特性; (c) 覆盖小尺寸 PbS 量子点的光响应率 Fig.3 (a) Schematic of graphene–quantum dot device; (b) I-t characterizations of device for a wavelength of 532 nm; (c) spectral responsivity of phototransistor with small PbS quantum dots 4