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技术■三维泡沫石墨烯光热电效应打造紫外-微波超宽谱光电探测器



技术■三维泡沫石墨烯光热电效应打造紫外-微波超宽谱光电探测器
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高性能 ， 超宽谱光电探测器在生物成像、光通信、导弹制导、遥感等诸多光电子系统中起着重要的作用 。 然而 ， 由于太赫兹和微波区域的光子能量过低 ， 无法激发传统半导体(如硅)中的电荷跃迁 ， 因此 ， 利用单一器件很难实现由紫外到微波波段的超宽谱光电探测 。
光热电效应 (也称为塞贝克效应) ， 通过光诱导温度变化从而引起的热电转换 ， 与探测波长无关 。 从理论上讲 ， 光热电探测器（PTE PDs）能够实现紫外-微波波段的超宽光谱探测 。 各种新型纳米材料已被用于PTE PDs ， 包括纳米线和二维材料 。 作为一个典型代表的二维材料—石墨烯显示出非凡的光学性能和电学性能 。 然而 ， 受其固有属性的影响 ， 包括比面积小和光吸收率低(单层2.3%) ， 在室温条件下 ， 单层或多层石墨烯在紫外-太赫兹范围内展示出较低的光响应 。
近日 ， 天津大学姚建铨院士、张雅婷副教授、李依凡博士课题组利用三维泡沫石墨烯制备了非对称电极型光电器件：Au/三维石墨烯泡沫/ Ti ， 实现了紫外-太赫兹-微波超宽光谱探测 。 通过非对称电极的设计 ， 增强了光热电系统的光电转换能力 ， 为高性能 ， 超宽谱探测器的研制提供了新的途径 。 相关研究成果发表在Photonics Research 2020年第3期上 。
较低的响应度是制约石墨烯光电探测器广泛应用的关键因素 。 为解决此难点 ， 团队利用水热还原法制备的三维石墨烯泡沫 ， 设计了Au/三维石墨烯泡沫/ Ti非对称型结构器件 。 通过基本的材料表征手段结果显示 ， 三维石墨烯泡沫由蜂窝网状的石墨烯片构成 ， 不仅继承了单层石墨烯的优点 ， 而且具有更强的光吸收能力、热性能和长范围的导电网络结构 。 同时 ， 吸收光谱显示了由400 nm至1 mm范围内的超宽光谱吸收特性 。
光电特性实验显示 ， 三维泡沫石墨烯器件在405 nm至 1.36 mm波长范围内的多波段激光辐照下展示出稳定且可重复的光开关特性 ， 随着辐照光波长的增加 ， 光响应度降低 。 不同偏压下的光响应结果显示 ， 在宽光谱范围内 ， 增加器件两端的偏压 ， 能够提高器件响应度 。 此外 ， 该器件表现出最高为103 A·W?1的高光响应度 ， 43 ms的短响应时间和80Hz的-3db带宽 。
在此基础上 ， 利用光热电理论模型以及变温实验充分讨论了该器件的光热电效应机制 ， 定量地分析非对称型电极光电器件的响应度比对称型电极器件高出89% 。
三维石墨烯是未来制备高性能 ， 超宽谱光电探测器的理想材料之一 。 该研究实现了高性能 ， 宽光谱光热电探测器的制备 ， 为未来在室温下工作的超宽带、高灵敏度新型光电探测器研究提供理论基础和技术支撑 。
该工作近期以“Ultraviolet-to-microwave room-temperature photodetectors based on three-dimensional graphene foams”为题发表在期刊Photonics Research（DOI: 10.1364/PRJ.380249）上 ， 文章第一作者为博士研究生李依凡 ， 通讯作者为张雅婷副教授 ， 共同通讯作者为盛泉副教授 ， 严峰教授 ， 姚建铨教授 。
相关工作得到国家自然科学基金（61675147, 61605141, 61735010, 91838301）国家重点研发项目（2017YFA0700202）和深圳市基础研究项目（JCYJ20170412154447469）等项目的资助 。
图1 三维石墨烯材料性能表征

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图2 三维石墨烯器件在532 nm激光辐照下的光电特性
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图3 三维石墨烯器件超宽光谱响应特性
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