近日，清華大學(xué)微納電子所教授劉澤文、北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院鄧濤副教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《納米快報(bào)》（Nano Letters）上發(fā)表了題為《基于三維石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的高性能光電傳感器》（“Three－Dimensional Graphene Field－Effect Transistors as High Performance Photodetectors”）的研究論文。該論文利用自卷曲方法制造了一種微管式三維石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管（3D GFET），可用作光電傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光、可見(jiàn)光、中紅外光、太赫茲波的超高靈敏度、超快探測(cè)。
基于三維石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的高性能光電傳感器示意圖
光電傳感器是光通信、成像、傳感等許多領(lǐng)域的核心元件。石墨烯具有獨(dú)特的零帶隙結(jié)構(gòu)、超快的載流子遷移率等優(yōu)點(diǎn)，是制造高性能光電傳感器的理想材料。傳統(tǒng)的石墨烯光電傳感器多采用平面二維（2D）GFET結(jié)構(gòu)，具有超寬的帶寬和超快的響應(yīng)速度。但是，由于單層石墨烯對(duì)光的吸收率只有2.3％，導(dǎo)致2D GFET光電傳感器的響應(yīng)度很低（～6.3 mA／W）。雖然將石墨烯與光敏物質(zhì)相結(jié)合可以大幅度提高光電傳感器的響應(yīng)度，但是帶寬和響應(yīng)速度會(huì)嚴(yán)重受損。
該研究提出了一種利用氮化硅應(yīng)力層驅(qū)動(dòng)2D GFET自卷曲為微管式3D GFET結(jié)構(gòu)的方法，首次制造出了卷曲層數(shù)（1－5）和半徑（30 μm－65 μm）精確可控的3D GFET器件陣列。這種3D GFET可用作光電傳感器，工作波長(zhǎng)范圍從紫外光（325 nm）區(qū)域一直延伸至太赫茲（119 μm）區(qū)域，為已經(jīng)報(bào)道的基于石墨烯材料的光電傳感器帶寬之最。同時(shí)，這種3D GFET兼具超高的響應(yīng)度和超快的響應(yīng)速度，在紫外光至可見(jiàn)光區(qū)域的響應(yīng)度可達(dá)1 A／W以上，在太赫茲區(qū)域的響應(yīng)度高達(dá)0.23 A／W，響應(yīng)時(shí)間快至265 ns（納秒）。該研究所提出的制造方法不僅為3D石墨烯光電器件與系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)鋪平了道路，還可以推廣至二硫化鉬、黑磷等其他類石墨烯2D晶體材料。審稿人高度評(píng)價(jià)該研究成果，認(rèn)為該研究對(duì)整個(gè)二維材料研究領(lǐng)域具有重要意義。
該論文的第一作者為清華大學(xué)微納電子學(xué)系2015屆畢業(yè)生、現(xiàn)北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院鄧濤副教授。清華大學(xué)微納電子所劉澤文教授、北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院鄧濤副教授為該論文的通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目的支持。
基于三維石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的高性能光電傳感器示意圖
光電傳感器是光通信、成像、傳感等許多領(lǐng)域的核心元件。石墨烯具有獨(dú)特的零帶隙結(jié)構(gòu)、超快的載流子遷移率等優(yōu)點(diǎn)，是制造高性能光電傳感器的理想材料。傳統(tǒng)的石墨烯光電傳感器多采用平面二維（2D）GFET結(jié)構(gòu)，具有超寬的帶寬和超快的響應(yīng)速度。但是，由于單層石墨烯對(duì)光的吸收率只有2.3％，導(dǎo)致2D GFET光電傳感器的響應(yīng)度很低（～6.3 mA／W）。雖然將石墨烯與光敏物質(zhì)相結(jié)合可以大幅度提高光電傳感器的響應(yīng)度，但是帶寬和響應(yīng)速度會(huì)嚴(yán)重受損。
該研究提出了一種利用氮化硅應(yīng)力層驅(qū)動(dòng)2D GFET自卷曲為微管式3D GFET結(jié)構(gòu)的方法，首次制造出了卷曲層數(shù)（1－5）和半徑（30 μm－65 μm）精確可控的3D GFET器件陣列。這種3D GFET可用作光電傳感器，工作波長(zhǎng)范圍從紫外光（325 nm）區(qū)域一直延伸至太赫茲（119 μm）區(qū)域，為已經(jīng)報(bào)道的基于石墨烯材料的光電傳感器帶寬之最。同時(shí)，這種3D GFET兼具超高的響應(yīng)度和超快的響應(yīng)速度，在紫外光至可見(jiàn)光區(qū)域的響應(yīng)度可達(dá)1 A／W以上，在太赫茲區(qū)域的響應(yīng)度高達(dá)0.23 A／W，響應(yīng)時(shí)間快至265 ns（納秒）。該研究所提出的制造方法不僅為3D石墨烯光電器件與系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)鋪平了道路，還可以推廣至二硫化鉬、黑磷等其他類石墨烯2D晶體材料。審稿人高度評(píng)價(jià)該研究成果，認(rèn)為該研究對(duì)整個(gè)二維材料研究領(lǐng)域具有重要意義。
該論文的第一作者為清華大學(xué)微納電子學(xué)系2015屆畢業(yè)生、現(xiàn)北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院鄧濤副教授。清華大學(xué)微納電子所劉澤文教授、北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院鄧濤副教授為該論文的通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目的支持。
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