張翼鵬， 王 雪， 紀(jì)佩璇， 趙 健， 張凱敏， 李 睿， 于凱丞， 田 昊， 馬 雷

(天津大學(xué) 天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國(guó)際研究中心， 天津 300072)

1 引 言

光電探測(cè)器基于光電效應(yīng)能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)從而被廣泛地應(yīng)用于視頻成像、光通信、生物醫(yī)學(xué)成像和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等方面。在傳統(tǒng)硅基光子學(xué)中，光電探測(cè)器溝道材料多為硅[1]、鍺[2-3]或Ⅲ-V化合物等半導(dǎo)體[4-5]，然而這些材料在實(shí)際應(yīng)用中都存在一定的局限性。以傳統(tǒng)硅基光電探測(cè)器為例，其在電信波段的光子能量通常不足以直接進(jìn)行光探測(cè)[1]。因此，人們通過(guò)摻雜制備了硅摻雜肖特基光電探測(cè)器[6]，相較于本征硅，該器件在1 550 nm(電信波段)入射光波長(zhǎng)下的響應(yīng)度有了較大的提高(超過(guò)1.2 A·W-1)。但由于同時(shí)產(chǎn)生的暗電流也較大，所以限制了它的探測(cè)度。對(duì)于Ⅲ-V半導(dǎo)體基探測(cè)器來(lái)說(shuō)，雖然它們具有優(yōu)良的工作特性，但由于器件制造中的晶格失配和材料熱系數(shù)不同等問(wèn)題，也限制了通過(guò)引入電復(fù)合中心或光散射中心來(lái)提高器件性能的方法在該體系的適用性[4-5]。此外，在硅晶片上直接集成Ⅲ-V光電探測(cè)器仍面臨很多困難，類似的問(wèn)題也在鍺光電探測(cè)器領(lǐng)域存在[2-3]，因此，尋找更好的光電材料對(duì)高速光電探測(cè)器的發(fā)展尤為重要。

二維材料作為一種極具潛力的光電子材料為高性能光電子器件的開(kāi)發(fā)提供了新的材料平臺(tái)[7-8]。其中又以石墨烯最具代表性，其主要原因在于石墨烯具有很高的載流子遷移率(高達(dá)15 000 cm2·V-1·s-1[7])，所以原理上講以它為工作介質(zhì)的光電探測(cè)器相比于其他二維材料應(yīng)該能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的電學(xué)信號(hào)以及具有更快的光電轉(zhuǎn)化速率。此外，由于其獨(dú)特的零帶隙結(jié)構(gòu)使得通過(guò)光激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量幾乎為零[9]，因此絕大部分波段的入射光都應(yīng)該能在石墨烯中產(chǎn)生一定強(qiáng)度的光電流，從而可將石墨烯應(yīng)用于包括紫外(<400 nm)[10]、可視(400～760 nm)[11]、近紅外(760～1 100 nm)[12]、短波紅外(1 100～2 500 nm)[13]、中波紅外(3 000～5 000 nm)[14]、長(zhǎng)波紅外(7 000～14 000 nm)[15]和太赫茲(0.3～3.0 THz)[16-17]等多個(gè)波段。雖然石墨烯具有非常寬的吸收光譜范圍，但是對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收率差異性非常大[18-19]。所以，目前人們所制備的石墨烯基光電探測(cè)器往往只對(duì)某一段或者某幾段波長(zhǎng)的入射光較為敏感，由此在一定程度上限制了器件的應(yīng)用范圍?；诖耍醒芯咳藛T想到了摻雜[20-21]或器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[22]的方法來(lái)嘗試提高石墨烯對(duì)低吸收率光波段的響應(yīng)，并取得了一定程度的成功。此外，由于石墨烯具有化學(xué)鈍化的特性，可以與已經(jīng)頗為成熟的硅基電子學(xué)和光子學(xué)技術(shù)相兼容，所以在大規(guī)模集成電路方面有著較為廣闊的應(yīng)用前景[23]，這也為光電轉(zhuǎn)換的后續(xù)處理奠定了基礎(chǔ)。

綜上所述，石墨烯基光電探測(cè)器的性能具有很大的提升空間，但同時(shí)也面臨著一系列技術(shù)問(wèn)題。除了可探測(cè)的波長(zhǎng)范圍較窄外，由于單層石墨烯本身只有一個(gè)原子層的厚度，所以對(duì)入射光吸收率也只有2.3%，因此在一些情況下無(wú)法達(dá)到光電探測(cè)器所需要的基本指標(biāo)[24]。此外，雖然利用摻雜的方式可以在很大程度上提高對(duì)某些波段的吸收效率，但也同樣會(huì)降低石墨烯的載流子遷移率[20-21]，因而對(duì)石墨烯光電探測(cè)器的響應(yīng)速度帶來(lái)了不利的影響[25-26]。對(duì)于新興的太赫茲波段入射電磁波而言，外界的溫度還會(huì)對(duì)太赫茲器件的響應(yīng)度及噪聲等效功率產(chǎn)生顯著的影響[17]。此外，如果在石墨烯基光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)上過(guò)于依賴傳統(tǒng)的光電晶體管結(jié)構(gòu)，也會(huì)不可避免地出現(xiàn)比半導(dǎo)體基源極柵極還要大的漏電情況，由此而產(chǎn)生的器件暗電流所帶來(lái)的自加熱也會(huì)進(jìn)一步降低此類器件的可靠性[7]。所以，為了優(yōu)化上述光電探測(cè)器的“固有”指標(biāo)，研究者通常需要從器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面入手，但同時(shí)還必須考慮石墨烯基光電探測(cè)器的制造成本問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，作為一個(gè)有效的石墨烯基光電探測(cè)器，必須要滿足低成本、環(huán)境友好、可快速大量制備等要求，其次器件還必須能夠小型化且具有和其他半導(dǎo)體集成的能力。對(duì)于光電探測(cè)器而言，小型化在一定程度上意味著“固有”指標(biāo)的降低，比如光響應(yīng)度等。如下文所述，小型化也會(huì)對(duì)于特定響應(yīng)機(jī)制下的器件其他的功能造成影響。特別是對(duì)于需要靠波導(dǎo)來(lái)增強(qiáng)光吸收的器件而言，小型化也意味著更低的吸收度和更為復(fù)雜的加工工藝，這無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步增加制造成本。因此，在制備石墨烯基探測(cè)器過(guò)程中需要合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以保證其性能和成本需求。

如大家所熟知的，不同的響應(yīng)機(jī)制影響到器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。當(dāng)前石墨烯基光電探測(cè)器主要有五種結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)單柵控結(jié)構(gòu)[11,20-21]、雙柵控結(jié)構(gòu)[27]、石墨烯懸浮結(jié)構(gòu)[28]、量子點(diǎn)混合結(jié)構(gòu)[29-30]和基于等離子體共振的陣列集成結(jié)構(gòu)[14,31-55]。此外，還有除上述五種結(jié)構(gòu)的其他結(jié)構(gòu)[56]。但無(wú)論何種設(shè)計(jì)，其原則都是為了盡可能發(fā)揮主要響應(yīng)機(jī)制，抑制非主要響應(yīng)機(jī)制[22]。在實(shí)際工作中，研究者往往會(huì)在同一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入多種機(jī)制來(lái)滿足實(shí)際需要[57]。比如，就提升響應(yīng)度對(duì)結(jié)構(gòu)依賴性很強(qiáng)的光柵控機(jī)制和等離子體輔助機(jī)制的光探測(cè)器設(shè)計(jì)而言[58]，不論是引入量子點(diǎn)還是加入集成陣列方式的應(yīng)用，雖然都能夠提高器件的響應(yīng)度，但也都不可避免地在一定程度上對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)造成破壞，所以也降低了石墨烯的載流子遷移率和石墨烯基光電探測(cè)器響應(yīng)速度[16]。同時(shí)，對(duì)于能量較低、波長(zhǎng)較長(zhǎng)的中波紅外、長(zhǎng)波紅外、太赫茲光而言，這種犧牲響應(yīng)速度來(lái)?yè)Q取響應(yīng)度地設(shè)計(jì)也反映了當(dāng)前石墨烯光電探測(cè)器的局限性[59]。

在光伏效應(yīng)、光熱電效應(yīng)、光輻射熱效應(yīng)這三種相對(duì)不依賴于器件結(jié)構(gòu)的響應(yīng)機(jī)制中，光伏效應(yīng)是能最大限度保證除響應(yīng)度以外其他各類指標(biāo)的響應(yīng)機(jī)制[60]。主要原因在于光伏效應(yīng)是石墨烯最基本的光電響應(yīng)機(jī)制，在無(wú)人為加工的前提下，光伏效應(yīng)總是占主導(dǎo)地位，而其余效應(yīng)的應(yīng)用則需要同其競(jìng)爭(zhēng)[22]。在利用光伏效應(yīng)的器件開(kāi)發(fā)中，通過(guò)柵控來(lái)調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)以便形成穩(wěn)定的光電流[61]。但是，光伏效應(yīng)較低的響應(yīng)度又往往限制了其應(yīng)用，尤其是在高波段范圍[58,62]。為此，研究者將目光投向了光生熱機(jī)制的應(yīng)用，寄希望于利用光生熱來(lái)提高響應(yīng)度[63]。2011年，研究人員首次研制出了利用光輻射熱和光熱電效應(yīng)的石墨烯基光電探測(cè)器[64]。然而，無(wú)論是采用雙柵控結(jié)構(gòu)打開(kāi)帶隙從而最大限度地利用光輻射熱效應(yīng)[15]，還是采用石墨烯懸浮結(jié)構(gòu)來(lái)盡量減少襯底對(duì)熱載流子的影響從而最大限度地利用光熱電效應(yīng)[28]，對(duì)響應(yīng)度的提高作用都很有限。為此， 2012年研究人員發(fā)明了采用量子點(diǎn)混合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的方法，通過(guò)該方法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了光響應(yīng)度的顯著提高[29]，并在此基礎(chǔ)上又通過(guò)引入等離子輔助陣列集成結(jié)構(gòu)成功地部分解決了長(zhǎng)波段光響應(yīng)的問(wèn)題[14,31-55]。

無(wú)論是器件本身性能指標(biāo)上的不足，還是生產(chǎn)工藝上的高成本，都對(duì)石墨烯基光電探測(cè)器的發(fā)展提出了重大挑戰(zhàn)。而問(wèn)題的根本原因還是在于實(shí)際開(kāi)發(fā)中基于某一需求所開(kāi)發(fā)的石墨烯基光電探測(cè)器往往存在多種光響應(yīng)機(jī)制，恰恰是這些響應(yīng)機(jī)制的互相競(jìng)爭(zhēng)反而會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法達(dá)到所需性能要求。盡管目前已有許多關(guān)于改善石墨烯基光電探測(cè)器總體性能的報(bào)道，但基于不同響應(yīng)機(jī)制來(lái)提升整體光電探測(cè)器性能的綜述卻不多見(jiàn)。所以，本文從光伏、光熱電、光輻射熱、等離子波輔助、光柵控效應(yīng)和光電導(dǎo)效應(yīng)六種基本的物理機(jī)制入手，總結(jié)了不同響應(yīng)機(jī)制下石墨烯光電探測(cè)器的最新進(jìn)展，并對(duì)等離子波輔助、光柵控效應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探討。

2 石墨烯基光電探測(cè)器

由于石墨烯具有獨(dú)特的光學(xué)吸收特性、高遷移率等優(yōu)點(diǎn)，在光電器件領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用潛力。根據(jù)石墨烯基光電探測(cè)器的不同響應(yīng)機(jī)制，我們可以制備出具有不同性能的光電器件從而更好地適應(yīng)于不同領(lǐng)域。如上所述，石墨烯基光電探測(cè)器的響應(yīng)機(jī)制主要有光伏效應(yīng)、光輻射熱效應(yīng)、光熱電效應(yīng)、等離子波輔助、光柵控效應(yīng)和光電導(dǎo)效應(yīng)等[65]，下面我們將詳細(xì)地介紹不同響應(yīng)機(jī)制對(duì)應(yīng)的石墨烯基光電探測(cè)器的研究進(jìn)展。

2.1 基于光伏效應(yīng)的石墨烯基光電探測(cè)器

光伏效應(yīng)是指一種材料在光照下產(chǎn)生電流或者電壓的過(guò)程。石墨烯具有靜電摻雜后的可調(diào)性、大電荷載流子濃度、低耗散率、高遷移率以及可將電磁能量限制在前所未有的小體積內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)。因此，相較于其他二維材料，它在光伏應(yīng)用方面應(yīng)具有較大的優(yōu)勢(shì)[18]。

典型的基于光伏效應(yīng)的石墨烯基光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電極搭載中間的石墨烯溝道組成,其中溝道材料可以采用機(jī)械剝離的石墨烯。在此基礎(chǔ)上通過(guò)電子束曝光和真空金屬蒸鍍以及標(biāo)準(zhǔn)的剝離工藝制備出金屬電極(0.5 nm/20 nm/30 nm: Ti/Pd/Au)，最后由反應(yīng)離子刻蝕圖案化石墨烯溝道。背柵介質(zhì)層為90 nm厚的SiO2層，一般在測(cè)試之前需要通過(guò)真空50 ℃退火消除吸附[21]。在石墨烯溝道中，由于入射光子激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)[11,20-21]，然后電子-空穴對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)作用下分離形成光生電子，光生電子在外部偏置電壓的調(diào)制下形成光電流[18,25,66-67]，如圖1所示。

圖1 具有不對(duì)稱金屬電極的金屬-石墨烯-金屬(MGM)光電探測(cè)器。中心：MGM光電探測(cè)器的三維示意圖，右下角：MGM光電探測(cè)器掃描電子顯微鏡圖片。插指電極之間的間隙為1 mm，插指寬度為250 nm[13]。

2009年，Xia等提出了利用光照下石墨烯-金屬結(jié)界面處產(chǎn)生的p-n結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏效應(yīng)的設(shè)計(jì)思路[11]，并在2010年成功地設(shè)計(jì)出基于該原理能在近紅外和可視光范圍內(nèi)工作的光電探測(cè)器[13]，其中在1 550 nm入射光波長(zhǎng)下響應(yīng)度為6.1 mA·W-1。為了克服響應(yīng)度低的缺點(diǎn)，Svechnikov等提出采用雙層石墨烯作為溝道來(lái)增強(qiáng)其吸光率進(jìn)而提高響應(yīng)度的方法[68]。但使用雙層石墨烯在提高器件吸光度的同時(shí)也降低了載流子遷移率，進(jìn)而減小了光電流和響應(yīng)度(光電流Iph=AVqμΔn[22]，響應(yīng)度Rph=Iph/Pin，其中A為作用層的橫截面積，V為施加偏壓，q為單位電子電荷，μ為電荷載流子遷移率，Δn為光致載流子密度)。光電探測(cè)器的工作原理一般是通過(guò)半導(dǎo)體材料吸收光子產(chǎn)生額外的自由載流子(即光生載流子)，載流子吸收能量發(fā)生移動(dòng)從而提高了材料的電導(dǎo)率。這里響應(yīng)度的定義為：?jiǎn)挝蝗肷涔β氏庐a(chǎn)生的光電流Iph或者光電壓Vph與入射光功率Pin的比值。由此可知提高材料的吸光率可在一定程度上提高器件的響應(yīng)度。Wang等在2013年設(shè)計(jì)了單層石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)波導(dǎo)光電探測(cè)器，該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是在保證載流子遷移率的同時(shí)通過(guò)引入波導(dǎo)來(lái)提升吸收率[69]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：對(duì)于1 550 nm入射光波長(zhǎng)，探測(cè)器響應(yīng)度為0.13 A·W-1，這一結(jié)果比之前提高了至少一個(gè)量級(jí)，表明了增強(qiáng)吸收率對(duì)增強(qiáng)響應(yīng)度的重要性。本實(shí)驗(yàn)中懸浮薄膜波導(dǎo)和聚焦亞波長(zhǎng)光柵耦合器是在SOI晶圓上制備完成的，其制造工藝同CMOS工藝兼容。其中制作流程主要包括周期孔和光柵耦合器的全刻蝕以及rib波導(dǎo)的淺刻蝕工藝獲得響應(yīng)的圖形化。最后，在5∶1的水∶HF(48%～51%濃度)溶液中攪拌90 min，去除埋氧層從而制備懸浮膜結(jié)構(gòu)[69]。

除了通過(guò)提高吸收率來(lái)增強(qiáng)光響應(yīng)度外，調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)的高低同樣可以有效地調(diào)節(jié)光伏效應(yīng)，因此采用局域摻雜來(lái)調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)以增強(qiáng)其光伏特性的方法近年來(lái)被廣泛地使用[57]。Nan等通過(guò)對(duì)石墨烯不同部分進(jìn)行N型摻雜和P型摻雜，在整個(gè)石墨烯覆蓋區(qū)域形成一個(gè)較大的“P-N結(jié)”[57]。利用擴(kuò)大光電流在整個(gè)器件的產(chǎn)生區(qū)域提高器件的利用效率。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)控不同類型摻雜區(qū)域面積比、柵壓大小、摻雜層厚度等方法，在不需要犧牲響應(yīng)速度的前提下，實(shí)現(xiàn)了器件在入射光為300 nm～6 μm波段均可工作的目標(biāo)。需要注意的是，這項(xiàng)工作中同時(shí)應(yīng)用了三種效應(yīng)，即光伏效應(yīng)、光熱電效應(yīng)、光輻射熱效應(yīng)，并且光伏效應(yīng)和光熱電效應(yīng)均對(duì)響應(yīng)度、響應(yīng)速度指標(biāo)的提升作用顯著。

為實(shí)現(xiàn)光伏效應(yīng)零偏壓下的光子檢測(cè)，需要極高的歸一化光電流與暗電流之比(NPDR)、低能耗以及極低的暗電流引起的暗電流散粒噪聲。利用石墨烯同其他二維材料形成的異質(zhì)結(jié)可以制備出暗電流極低(這意味著更好的探測(cè)度)的光電傳感器，而這也正是近年來(lái)在光伏效應(yīng)下石墨烯基光電探測(cè)器領(lǐng)域研究者工作的重點(diǎn)之一[10,70-71]。2021年，F(xiàn)eng等通過(guò)將單層石墨烯集成在硅基納米柱陣列上，成功地實(shí)現(xiàn)了暗電流有效抑制，同時(shí)在接近零偏壓時(shí)做到了盡量小的光電流衰減，為此成功地顯著提高了比探測(cè)率(圖2)[72]。

圖2 基于單層石墨烯覆蓋的硅納米柱陣列光電探測(cè)器簡(jiǎn)圖[72]

光伏效應(yīng)是這六種機(jī)制中最早被應(yīng)用于石墨烯光電探測(cè)器的機(jī)制，然而由于其響應(yīng)不僅依賴于入射光激發(fā)形成的電子空穴對(duì)，而且還依賴于外加?xùn)艍簩?duì)光生電子空穴對(duì)的分離效果，所以對(duì)入射光波段要求很高，這就在很大程度上限制了其在大波段范圍內(nèi)的應(yīng)用。盡管2014年Nan等采用靜電摻雜的方案兼顧了響應(yīng)波段范圍、響應(yīng)度及響應(yīng)速度等因素，但也引入了其他響應(yīng)機(jī)制，而這正反映了基于純光伏效應(yīng)的石墨烯基光電探測(cè)器的局限性[57]。此后，研究人員將目光轉(zhuǎn)到優(yōu)化光伏效應(yīng)下石墨烯基光電探測(cè)器的其他性能指標(biāo)，如光暗電流比、等效噪聲功率等。這些研究成果有望被應(yīng)用于同其他機(jī)制并存的光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。

2.2 基于光輻射熱效應(yīng)下的石墨烯基光電探測(cè)器

由入射光子產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致溝道電導(dǎo)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光輻射熱效應(yīng)。2013年，F(xiàn)reitag等嘗試制備了室溫下基于光輻射熱效應(yīng)的石墨烯基光電探測(cè)器(如圖3所示)[62]，其工作原理是在石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一個(gè)漏電極上施加VD=-1 V電壓的同時(shí)，再通過(guò)施加背柵靜電調(diào)控石墨烯摻雜程度。當(dāng)樣品上掃描波長(zhǎng)為690 nm的斬波和聚焦激光束時(shí)，使用參考斬波頻率的鎖相放大器可以同時(shí)獲得光電流幅度和相位(圖3)。雖然波段范圍覆蓋了可視光和全波段紅外光，但是即使在可見(jiàn)光波段(690 nm)，其響應(yīng)度也只有0.13 A·W-1，甚至比最初開(kāi)發(fā)的基于光伏效應(yīng)的光電探測(cè)器還至少要小一個(gè)量級(jí)。2012年，Yan等受到石墨烯-鋁隧道結(jié)測(cè)輻射熱計(jì)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)在低溫下(5 K)采用雙柵控結(jié)構(gòu)的雙層石墨烯不但可以提高在可見(jiàn)光波段(658 nm)下的響應(yīng)度(105V·W-1)，還能降低等效噪聲功率(33 fW·Hz-1/2)[15]，并且響應(yīng)波段寬，即使在長(zhǎng)紅外波段依舊具備良好的光響應(yīng)度。該結(jié)構(gòu)對(duì)超導(dǎo)隧道結(jié)的開(kāi)發(fā)具有參考價(jià)值[73]。其中雙層石墨烯采用機(jī)械剝離法制備，并轉(zhuǎn)移到具有300 nm厚的SiO2硅片上，電子束曝光和熱蒸鍍圖案化金屬電極(5 nm Cr/100 nm Au)，在濺射SiO2作為頂柵介質(zhì)之前，使用電子束曝光的氫硅氧烷保護(hù)石墨烯[15]。

圖3 激光波長(zhǎng)為690 nm的光電探測(cè)器設(shè)置示意圖。激光強(qiáng)度P=220 mW，束斑直徑d≈700 nm，斬波頻率f=1.1 kHz[62]。

傳統(tǒng)的紅外光電探測(cè)器是由Ⅲ-V族半導(dǎo)體構(gòu)成，吸收光子的能量與其帶隙相匹配，吸收光的強(qiáng)度大小決定了輸出電流的強(qiáng)弱。而下一代紅外光電探測(cè)器系統(tǒng)需要具有寬的吸收帶、快速響應(yīng)和易于與硅集成的新材料的特點(diǎn)以滿足寬帶檢測(cè)的需要。同時(shí)，越來(lái)越多的領(lǐng)域要求光電探測(cè)器滿足輕質(zhì)、可彎曲、柔性和透明的要求，從而能夠更好地應(yīng)用于手機(jī)、曲面數(shù)碼相機(jī)、大面積可折疊顯示器和其他電子系統(tǒng)等方面。由于具有機(jī)械強(qiáng)度大、拉伸性高的特點(diǎn)，石墨烯可以很好地用于制作柔性材料，并且由于單層石墨烯的厚度僅有0.35 nm，所以非常適合用于電子和光電子器件領(lǐng)域[57]。

圖4 器件的彩色SEM俯視圖，紫色部分為石墨烯，黃色部分為金屬電極，粉色部分為未刻蝕硅，比例尺為10 μm[75]。

2019年，Abdel等進(jìn)一步闡釋了輻射熱效應(yīng)，并提出柵控的作用是為了在狄拉克點(diǎn)處打開(kāi)帶隙，進(jìn)而使得熱阻值隨著電子溫度變化而變化[63]，進(jìn)而加深了人們對(duì)光柵控效應(yīng)的理解。

綜上，基于光輻射熱效應(yīng)下的石墨烯基光電探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)波段寬、高靈敏度及低等效噪聲功率，這得益于其小的熱容和弱電子-聲子耦合作用。當(dāng)前對(duì)于該機(jī)制的機(jī)理有待進(jìn)一步探究。

2.3 基于光熱電效應(yīng)下的石墨烯基光電探測(cè)器

光熱電效應(yīng)可拆分為光熱轉(zhuǎn)換和熱電效應(yīng)。如圖5所示，入射光照射在器件的某一側(cè)，器件在吸收這一側(cè)的光子后升溫，與另外一側(cè)形成溫差(ΔT)，從而驅(qū)動(dòng)電荷載流子從熱端到冷端發(fā)生定向擴(kuò)散，形成電位差(ΔU)。這個(gè)過(guò)程被稱為塞貝克(Seebeck)效應(yīng)(熱電效應(yīng))，其中塞貝克系數(shù)被定義為ΔU與ΔT的比值[77]。

圖5 光熱電效應(yīng)下光電轉(zhuǎn)化過(guò)程示意圖[77]

2011年，Lemme等首次制備出了基于光熱電效應(yīng)的光電探測(cè)器[64]。他們利用頂柵電極條帶將石墨烯分為左右兩個(gè)部分，通過(guò)施加?xùn)艍簛?lái)調(diào)控頂柵左右兩邊的塞貝克系數(shù)差異，再通過(guò)可見(jiàn)光掃描光束產(chǎn)生溫度差異(如圖6所示)。結(jié)果顯示其最高響應(yīng)度只有不到1 mA·W-1。相比于2009年Xia等[11]制備出的首個(gè)基于光伏效應(yīng)的光電探測(cè)器，其在響應(yīng)度方面較低(Rth=6.1 mA·W-1)，但是在量子效率方面(內(nèi)量子效率(IQE)=35%，外量子效率(EQE)=2.5%)要比前者(IQE=10%，EQE=0.5%)高出數(shù)倍，這表明基于光熱電效應(yīng)的石墨烯基光電探測(cè)器仍具有很大的發(fā)展空間。

圖6 基于光熱電效應(yīng)下的頂柵石墨烯光電探測(cè)器器件簡(jiǎn)圖[64]

為了保證不同區(qū)域的溫度免受基底的干擾， 2013年，F(xiàn)reitag等將事先對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行不同類型摻雜的石墨烯作為溝道材料[28]，并將石墨烯懸空以減少基底對(duì)石墨烯光電特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)度最高值出現(xiàn)在P摻和N摻區(qū)域的結(jié)合部分，約為7.5 mA·W-1，相比于之前Lemme等[64]的結(jié)果有了顯著的提高，但響應(yīng)范圍還仍局限于可見(jiàn)光波段。為了提升在長(zhǎng)波段的響應(yīng)度，研究者們又提出了使用混合結(jié)構(gòu)來(lái)提升增益的方法[78]。該結(jié)構(gòu)在后文提到的光柵控效應(yīng)中得到了廣泛應(yīng)用，但不可避免地會(huì)犧牲載流子遷移率，降低響應(yīng)速度。

2014年，馬里蘭大學(xué)Cai等采用非對(duì)稱電極結(jié)構(gòu)成功地將石墨烯光熱電探測(cè)器的室溫光譜響應(yīng)擴(kuò)展到太赫茲波段，并兼顧了響應(yīng)度和響應(yīng)速度[17]。通過(guò)設(shè)計(jì)能帶不同的彎曲程度，得到不對(duì)稱的塞貝克系數(shù)分布。金屬電極可以作為冷端，產(chǎn)生溫度梯度，最后可以得出一個(gè)非零的開(kāi)路光電壓。在波長(zhǎng)為119 μm的光照下，光響應(yīng)度為10 V·W-1，同時(shí)測(cè)量了1.54 μm紅外輻射的光響應(yīng)。盡管由于熱載流子能量弛豫過(guò)程中光學(xué)聲子散射的緣故，其響應(yīng)度相對(duì)較低(～0.25 V·W-1)，但仍然表明探測(cè)器在該波長(zhǎng)下可以工作。此外，研究人員在完全懸浮石墨烯的基礎(chǔ)上，施加雙柵控電壓，實(shí)現(xiàn)了基于光熱電效應(yīng)下的石墨烯基光電探測(cè)器在微波[79]到近紅外波段[80]有效響應(yīng)的目標(biāo)。

除了利用石墨烯不同區(qū)域的塞貝克系數(shù)差異產(chǎn)生光電流外，從微觀上來(lái)看，當(dāng)石墨烯的溝道長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于熱載流子冷卻所需的長(zhǎng)度時(shí)，熱載流子的擴(kuò)散也可由晶格中的溫差驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生光電流。2014年，麻省理工學(xué)院Herring等[81]證明，當(dāng)溝道長(zhǎng)度約為200 μm時(shí)，晶格梯度光熱電效應(yīng)起主要作用。在這種情況下，可以使用具有高光吸收度和低熱導(dǎo)率的襯底來(lái)提高石墨烯熱電偶的響應(yīng)度。為此，Hsu等[82]設(shè)計(jì)了一種石墨烯熱電堆，具體方法是使用STS-PECVD法在300 ℃下沉積了由100 nm SiO2/500 nm SiN/100 nm SiO2組成的電介質(zhì)結(jié)，沉積膜的總應(yīng)變保持在100 MPa以下。然后使用電子束曝光將PMMA在125 keV下進(jìn)行曝光，使用熱蒸鍍?cè)?.33×10- 7Pa(1×10- 6mtorr)蒸發(fā)10 nm Ti/20 nm Pt，使用光刻膠硬掩膜(OCG-825)和CF4等離子體對(duì)釋放通孔進(jìn)行了圖案化。其中溝道材料是采用LP-CVD法在銅箔上生長(zhǎng)的石墨烯，并采用含F(xiàn)eCl3溶液濕法轉(zhuǎn)移石墨烯[82]。其中氮化硅(SiN)膜用于吸收輻射并加熱石墨烯同質(zhì)結(jié)的中心以產(chǎn)生電壓輸出。在波長(zhǎng)為10.6 μm時(shí)，入射輻射的一半可以被SiN膜吸收。通過(guò)優(yōu)化石墨烯同質(zhì)結(jié)的摻雜分布和熱隔離設(shè)計(jì)，熱電堆的響應(yīng)度高達(dá)7～9 V·W-1。

2020年，紐約大學(xué)Gosciniak等基于石墨烯的光熱電效應(yīng)，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)程介質(zhì)加載表面等離子體激元(LR-DLSPP)結(jié)構(gòu)[83]。如圖7所示，通過(guò)將器件與波導(dǎo)耦合增加了石墨烯溝道長(zhǎng)度，進(jìn)而大大地提高了響應(yīng)度。在1 550 nm入射光下T= 4 510 K，實(shí)現(xiàn)了200 A·W-1的響應(yīng)度，為石墨烯基光電探測(cè)器在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

圖7 (a)基于長(zhǎng)程介質(zhì)加載表面等離子體激元(LR-DLSPP)結(jié)構(gòu)的石墨烯基光電探測(cè)器原理圖，其中Semiconductor 1同Semiconductor 2的材質(zhì)均為硅；(b)器件結(jié)構(gòu)的橫截面，顯示出坡印廷矢量PX在外電極方向上的電場(chǎng)分布；(c)長(zhǎng)程介質(zhì)加載表面等離子體激元(LR-DLSPP)結(jié)構(gòu)下的平面內(nèi)電場(chǎng)分量[83]。

基于光熱電效應(yīng)下的石墨烯基光電探測(cè)器要求不同區(qū)域具有不同的塞貝克系數(shù)來(lái)產(chǎn)生所需要的電勢(shì)差。盡管研究人員一度通過(guò)柵控、摻雜的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)宏觀石墨烯溝道內(nèi)、石墨烯-電極之間的電勢(shì)差的調(diào)控，以及通過(guò)懸空石墨烯減少基底產(chǎn)生熱傳導(dǎo)的方法來(lái)保證不同區(qū)域內(nèi)的溫差，但總體而言響應(yīng)度仍處在偏低的水平。直到研究人員從更為微觀的熱載流子冷卻的角度來(lái)考慮，提出了通過(guò)增加石墨烯溝道的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱載流子晶格冷卻梯度的構(gòu)建以增大熱載流子和晶格之間的溫差的方法后，終于實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)度的大幅提高。

2.4 基于等離子體輔助探測(cè)的研究進(jìn)展

等離子體技術(shù)的應(yīng)用在這里是指應(yīng)用光子和電子耦合時(shí)，電磁波與等離子體材料、介電介質(zhì)界面之間發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生表面等離子體激元(SPPs)并引發(fā)的表面等離子體共振(SPR)[31]。等離子體技術(shù)的應(yīng)用可以超過(guò)衍射極限[32]，進(jìn)而有效提高光電探測(cè)器性能，這些現(xiàn)象在生物學(xué)領(lǐng)域、化學(xué)、氣體傳感中的圖像傳感和光通信設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于等離子波輔助效應(yīng)主導(dǎo)的光電探測(cè)器中溝道材料的選擇，除了石墨烯外還有諸如MoS2、InSe等二維材料。然而到目前為止，在器件結(jié)構(gòu)多樣性方面，MoS2和InSe一般與金屬周期性結(jié)構(gòu)耦合，而石墨烯則可以和納米帶、金屬周期性結(jié)構(gòu)、金屬-絕緣-金屬(MIM)單元等多種結(jié)構(gòu)耦合；同時(shí)，當(dāng)前MoS2、InSe只限于部分可見(jiàn)光波段，且響應(yīng)度相比于同波段光電探測(cè)器優(yōu)勢(shì)并不明顯，因此基于這兩種材料的光電探測(cè)器易被替代[58]。相比之下，在等離子波輔助機(jī)制主導(dǎo)下的石墨烯基光電探測(cè)器可探測(cè)到太赫茲波段的入射光，這是其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?；诘入x子波輔助機(jī)制的石墨烯基光電探測(cè)器不僅在太赫茲光探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，還可用于對(duì)谷電子學(xué)、石墨烯等離子體和Moiré超晶格方向的理論探究[84]。

2.4.1 基于石墨烯納米帶的等離子體輔助光電探測(cè)器

由于入射光不能直接有效地同大面積石墨烯表面等離子體激元耦合，人們利用石墨烯納米帶(GNRs)或微型陣列結(jié)構(gòu)來(lái)激發(fā)石墨烯的表面等離子體激元，進(jìn)而提高GNRs基光電探測(cè)器的響應(yīng)度[33]，如圖8 所示。這里石墨烯是利用甲烷通過(guò)化學(xué)氣相沉積在銅箔上生長(zhǎng)得到的。由于碳在銅中的溶解度低，這一過(guò)程具有自限性,可以得到單層石墨烯的覆蓋率超過(guò)95%。在PMMA沉積后，用刻蝕劑CE200濕法對(duì)銅進(jìn)行溶解，附著在PMMA上的石墨烯被轉(zhuǎn)移到具有90 nm厚 SiO2覆蓋的硅片上;隨后利用電子束光刻技術(shù)在石墨烯頂部制備了Ti/Pd/Au電極;最后，利用電子束光刻、剝離和氧等離子體將石墨烯刻蝕成納米帶[33]。

圖8 通過(guò)來(lái)自可調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器的中紅外(脈沖為100 kHz)打到由ZnSe物鏡聚焦到以GNR陣列探測(cè)器為中心的20 μm光斑中。在漏電極上施加VD=-8 V的直流偏壓。直流和交流電信號(hào)在源極由偏壓三通分離，并傳輸?shù)角爸梅糯笃?DC) 或鎖相放大器(AC)分別測(cè)量直流傳輸電流或交流光電流[33]。

轉(zhuǎn)移在SiO2/Si襯底上的GNRs可以通過(guò)二氧化硅產(chǎn)生的聲子激元與石墨烯表面等離子體激元耦合，利用二氧化硅聲子模式中反交叉現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化硅聲子-石墨烯等離子體相互作用[34-35]。這種耦合引起的升溫幅度是傳統(tǒng)石墨烯紅外探測(cè)器的四倍。

此外，可以通過(guò)改變外加?xùn)艍簛?lái)改變GNRs載流子濃度，從而調(diào)控其費(fèi)米能級(jí)，提高輸出光電流。并且外加?xùn)艍哼€有助于提高增益帶寬。GNRs的表面等離子體激元還表現(xiàn)出極化依賴性。在該工作中，研究人員僅使用垂直于GNRs軸的電場(chǎng)分量有效地實(shí)現(xiàn)了光電流的增強(qiáng)[33]。

理論上講，基于GNRs的光電探測(cè)器也可以在太赫茲波段有著不錯(cuò)的表現(xiàn)[36]。覆蓋GNRs的氧化鉿具有很高的k值，在氧化鉿的覆蓋下石墨烯載流子散射降低，使得石墨烯中載流子持續(xù)保持高遷移率，進(jìn)而可以在室溫下進(jìn)行從可見(jiàn)區(qū)域到中紅外區(qū)域的光電探測(cè)[37]。并且在室溫、中紅外波段下，基于表面等離子體輔助效應(yīng)，采用GNRs與納米盤結(jié)合結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器同樣具備優(yōu)異的性能[38]。

2.4.2 石墨烯與基于微周期結(jié)構(gòu)集成的光電探測(cè)器

通過(guò)石墨烯與微周期結(jié)構(gòu)的集成，如周期性金屬圖案和金屬-絕緣-金屬(MIM)單元的集成，可以顯著增強(qiáng)石墨烯基光電探測(cè)器的響應(yīng)度以及實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)和偏振選擇功能[39-41]。這些周期性金屬圖案包括一維金屬條紋[42-43](圖9)、二維金屬微塊、七聚體、金屬分形圖案、Si量子點(diǎn)等[44-46]。由于石墨烯在等離子體結(jié)構(gòu)附近的局域電磁共振受到限制，這些結(jié)構(gòu)使石墨烯的光吸收性得到了顯著增強(qiáng)，其響應(yīng)度最大可提高800%[14]。金屬納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的表面等離子體共振可以有效提高石墨烯基光電探測(cè)器的響應(yīng)度。

圖9 具有等離子體納米結(jié)構(gòu)的石墨烯器件掃描電子顯微鏡顯微照片。(a)器件的整體圖像，石墨烯：藍(lán)色，SiO2(300 nm)：紫色，Ti/Au電極：黃色，比例尺，20 μm；(b)～(d)測(cè)試不同電極旁等離子體納米結(jié)構(gòu)，標(biāo)出L和TR入射光偏振，比例尺1 μm[42]。

除了通過(guò)局域表面等離子體共振增強(qiáng)石墨烯的吸光率外，室溫下金屬納米結(jié)構(gòu)引起的熱電效應(yīng)同樣可以提高響應(yīng)度。使用基于等離子體結(jié)構(gòu)來(lái)提高石墨烯響應(yīng)度的另一種方法是將等離子體波導(dǎo)[47-48]或納米隙結(jié)構(gòu)集成到傳感器中[49]。具有窄間隙的等離子體結(jié)構(gòu)可以誘導(dǎo)間隙共振模式，以增強(qiáng)吸收。目前，大多數(shù)基于石墨烯的光學(xué)傳感器都是單像素器件。盡管仍存在一些挑戰(zhàn)，但在不久的將來(lái)，上述技術(shù)有望被廣泛用于圖像傳感器方面[50-52]。

2.4.3 用于探測(cè)太赫茲波段的其他結(jié)構(gòu)

無(wú)論是石墨烯納米帶還是石墨烯-周期性集成結(jié)構(gòu)，其可探測(cè)范圍都在中紅外波段。為了進(jìn)一步探測(cè)更低頻率的波段，可以引入等離子體波輔助機(jī)制。Dyakonov等于1996年發(fā)現(xiàn)，納米級(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管能夠通過(guò)等離子體波整流檢測(cè)到太赫茲輻射，直流輸出信號(hào)是對(duì)集體載流子濃度振蕩(等離子體波)的響應(yīng)[36]。這是因?yàn)樵春蜄艠O之間的電磁波耦合(在源發(fā)射的等離子體波)沿通道驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生了縱向電場(chǎng)[53]。圖10為基于Dyakonov等提出的機(jī)制在室溫下進(jìn)行的太赫茲波段光電探測(cè)器示意圖，器件結(jié)構(gòu)是基于周期性天線耦合的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

圖10 單層石墨烯上等離子天線示意圖[53]

2014年，Spirito等成功地制備了基于等離子體波輔助機(jī)制的光電探測(cè)器[54]，通過(guò)采用埋柵結(jié)構(gòu)，在太赫茲波段(1 000 μm)，器件響應(yīng)度達(dá)到了1.2 V·W-1，等效噪聲功率(NEP)為2×10-9W·Hz-1/2。

在利用雙層石墨烯進(jìn)行太赫茲波段探測(cè)方面，Bandurin 等做了綜述[55]。如圖11所示，研究者采用天線耦合石墨烯晶體管結(jié)構(gòu)，通過(guò)法布里-珀羅腔和整流元件輔助等離子體激元共振檢測(cè)太赫茲輻射，并比對(duì)了在不同溫度下響應(yīng)度隨著柵極電壓的變化情況。圖11(a)、(b)分別代表不同頻率入射光的探測(cè)結(jié)果，清楚地顯示出寬帶和共振檢測(cè)機(jī)制之間的差異。該結(jié)果也同時(shí)證明了共振響應(yīng)是石墨烯器件中的一種普遍現(xiàn)象，且與將交流電場(chǎng)整流為直流光電壓背后的物理機(jī)制無(wú)關(guān)。通過(guò)非線性校正可以進(jìn)一步確定響應(yīng)度的增加情況，研究者們利用該結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了在雙層石墨烯/hBN超晶格內(nèi)Moiré微帶上的低能等離子激元[55]。這種方法對(duì)研究磁微帶中的集體模式有很大的幫助，近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。

圖11 雙層石墨烯的太赫茲光波段探測(cè)。(a)在入射光頻f=130 GHz時(shí)，3種溫度(300，77，10 K)下測(cè)量的響應(yīng)度。橙色矩形框顯示了一個(gè)響應(yīng)度的變化，該變化源于p摻雜石墨烯通道和靠近觸點(diǎn)的n摻雜區(qū)域之間的p-n結(jié)處入射輻射的整流。右上插圖：FET系數(shù)F作為同一溫度T下頂柵電壓Vg的函數(shù)；左下插圖：最大響應(yīng)度Rmax作為溫度T的函數(shù)。(b)入射光頻率f=2 THz時(shí)，溫度為10 K時(shí)，響應(yīng)度同頂柵電壓之間的函數(shù)關(guān)系。右上插圖：顯示了電子摻雜的光電電壓的放大區(qū)域，其中共振用黑色箭頭表示；左下插圖：液氮溫度下的共振響應(yīng)率[55]。

總之，對(duì)于基于等離子輔助機(jī)制的石墨烯基光電探測(cè)器而言，其主要指標(biāo)依賴于器件結(jié)構(gòu)，無(wú)論是納米帶結(jié)構(gòu)、微周期耦合結(jié)構(gòu)還是用于探測(cè)太赫茲波段的其他結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)都是將入射光轉(zhuǎn)換為等離子體共振。這同時(shí)反映了其局限性，即只能在器件結(jié)構(gòu)的共振波長(zhǎng)下提高響應(yīng)度，然而共振波長(zhǎng)可通過(guò)改變器件的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控，所以其探測(cè)波長(zhǎng)是單一的。

2.5 基于光柵控效應(yīng)的進(jìn)展

光柵控效應(yīng)是光致電導(dǎo)效應(yīng)的特例，是指由于空穴或者電子被局域態(tài)所束縛時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)額外的電場(chǎng)而表現(xiàn)出的和柵極電壓一樣對(duì)材料電導(dǎo)(電阻)較強(qiáng)的調(diào)控效應(yīng)，因此光柵控效應(yīng)是一種通過(guò)光致柵壓來(lái)調(diào)節(jié)器件溝道電導(dǎo)的方法[29,85-93]。

光柵控效應(yīng)的機(jī)理示意圖如圖12所示[88]。圖中硅作為背柵電極，SiO2為介電層。當(dāng)硅柵極中的光激發(fā)電荷導(dǎo)致 Si/SiO2界面處的電勢(shì)(δVPV)發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)發(fā)生光柵控。因此要產(chǎn)生光柵控效應(yīng)，就需要Si/SiO2界面處 Si 發(fā)生能帶彎曲。Si能帶的彎曲會(huì)提供一個(gè)電場(chǎng)，該電場(chǎng)將光激發(fā)所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)分開(kāi)，并提供了一個(gè)勢(shì)阱來(lái)捕獲電子或空穴，從而產(chǎn)生電勢(shì)差。圖12(a)為器件制備完成后硅襯底能帶彎曲示意圖，初始能帶彎曲為φso=100～200 mV；圖12 (b)為在激光照射下，正氧化物電荷被束縛在界面處的光生電子部分屏蔽，從而降低了表面電勢(shì)φso→φsΛ，產(chǎn)生光電壓δVPV。

圖12 光柵控能帶變化示意圖[88]

當(dāng)前基于光柵控效應(yīng)主導(dǎo)的光電探測(cè)器材料主要有ZnO、Zn3P2、GaS等，這些材料相比于石墨烯而言，具有可探測(cè)波段范圍較窄且多僅限于紫外和可見(jiàn)光波段的問(wèn)題。而該類石墨烯型器件則具有從可見(jiàn)光波段至中紅外波段的較大響應(yīng)范圍，并且由于石墨烯能與量子點(diǎn)等其他二維材料進(jìn)行有效的耦合，所以可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)度大幅度提升等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，這都是傳統(tǒng)光柵控效應(yīng)材料所不具備的。再加上近年來(lái)石墨烯在大面積工業(yè)化制備工藝上的長(zhǎng)足進(jìn)步，使得基于光柵控效應(yīng)下的石墨烯基光電探測(cè)器在成像裝置方面的廣泛應(yīng)用未來(lái)可期[94]。

2.5.1 基于純石墨烯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)展

盡管早在2009年Xia等便在石墨烯基光電探測(cè)器光柵控領(lǐng)域進(jìn)行了初步嘗試[11]，但是同傳統(tǒng)的材料相比較，效果并不理想，響應(yīng)度只有5×10-4A·W-1。這主要是因?yàn)槭┳鳛橐环N厚度只有0.35 nm的二維材料并不具備強(qiáng)的光吸收能力。而膠體量子點(diǎn)的寬帶吸收可以補(bǔ)償石墨烯有限的響應(yīng)波段，從而增強(qiáng)石墨烯的吸光度，同時(shí)石墨烯的高載流子遷移率也一定程度上彌補(bǔ)了量子點(diǎn)遷移率低的不足[95-96]。

2.5.2 基于量子點(diǎn)/石墨烯混合結(jié)構(gòu)的進(jìn)展

2012年初，Konstantatos等開(kāi)發(fā)了一種基于PbS量子點(diǎn)/石墨烯混合結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，響應(yīng)度達(dá)到了107A·W-1[29]。其中單層/雙層石墨烯的制備是通過(guò)機(jī)械剝離熱解石墨獲得，然后轉(zhuǎn)移到Si/SiO2(285 nm)晶圓上，80 nm厚的PbS量子點(diǎn)薄膜是利用PbS膠體量子點(diǎn)通過(guò)逐層法旋涂涂膜方式制備的[29]。如圖13所示，量子點(diǎn)中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，空穴被轉(zhuǎn)移到石墨烯上，而電子被聚集在量子點(diǎn)層中，以此調(diào)節(jié)石墨烯的電導(dǎo)，這樣即使在50 fW弱入射功率的情況下，也可以獲得108的超高增益；并且增益帶寬積也達(dá)到109Hz，整體性能可與通過(guò)苛刻而昂貴的分子束外延(MBE)生長(zhǎng)的Ⅲ-V族材料光晶體管相媲美[97]。同年Sun等報(bào)道了一種基于化學(xué)氣相沉積(CVD)的石墨烯/量子點(diǎn)光電探測(cè)器，盡管響應(yīng)度同樣為107A·W-1，但由于該器件的基底是柔性材料，所以實(shí)現(xiàn)了器件可彎曲和耐磨的特性[30]。憑借CVD法制備的優(yōu)勢(shì)，光柵控效應(yīng)下的石墨烯光電柔性探測(cè)器原則上講已經(jīng)可以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化制備。

圖13 石墨烯-量子點(diǎn)復(fù)合光電探測(cè)器。(a)石墨烯-量子點(diǎn)混合光電晶體管示意圖，其中石墨烯薄片沉積在Si/SiO2結(jié)構(gòu)上并涂有PbS量子點(diǎn)；(b)使用聚焦在 532 nm、功率為 1.7 pW 的激光束的空間光電流分布。當(dāng)激光束掃過(guò)檢測(cè)器表面時(shí)，記錄光電流?？臻g分布圖顯示了在與石墨烯薄片重疊的量子點(diǎn)薄膜區(qū)域(VSD=10 mV)處光電晶體管的大面積激發(fā)。插圖：本研究中使用的石墨烯薄片與金電極接觸形成光電晶體管的光學(xué)圖像[29]。

2017年，Goossens等基于光柵控增強(qiáng)機(jī)制開(kāi)發(fā)了一種集成的量子點(diǎn)-石墨烯互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器[50]。這是首次將大面積二維材料與硅讀取電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了具有388×288陣列光檢測(cè)像素的NIR-SWIR數(shù)碼相機(jī)。這一結(jié)果證明了光柵控效應(yīng)下石墨烯基光電探測(cè)器在顯像領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)為了進(jìn)一步拓寬探測(cè)波段范圍，研究者隨后又在量子點(diǎn)/石墨烯混合結(jié)構(gòu)在寬波段檢測(cè)方向做了大量的工作[98-99]。

2.5.3 以石墨烯為溝道的異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)展

由載流子壽命τL及載流子躍遷時(shí)長(zhǎng)τt所決定的增益在很大程度上取決于載流子躍遷時(shí)長(zhǎng)τt。而縮短溝道長(zhǎng)度、增大偏置電壓、提高載流子遷移率均能有效地縮短載流子躍遷時(shí)長(zhǎng)τt。石墨烯具有非常高的遷移率，所以可以預(yù)測(cè)通過(guò)將石墨烯做成混合結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的溝道能夠有效地縮短躍遷時(shí)長(zhǎng)τt[78,92,100-103]。而量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高響應(yīng)度與量子點(diǎn)的壽命密切相關(guān)，因此使用不同量子點(diǎn)的器件可能得到不同的響應(yīng)速度。所以同時(shí)使用石墨烯和量子點(diǎn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)原則上可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和響應(yīng)速度的有效控制。

2013年，Roy等將石墨烯作為溝道層、MoS2作為柵控層[78]，通過(guò)施加負(fù)向背柵電壓使MoS2/石墨烯界面處的能帶對(duì)齊，從而使光生電子轉(zhuǎn)移到石墨烯而空穴留在MoS2。結(jié)果顯示，當(dāng)入射光波長(zhǎng)為635 nm時(shí)，在130 K的溫度下，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)度最高達(dá)到了1010A·W-1，即使是在室溫下也可達(dá)到5×108A·W-1。Zhang等也做了類似的基于石墨烯/MoS2的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，光增益超過(guò)了108[100]，顯示出該方案良好的可重復(fù)性。2015年，Liu等制作了碳納米管-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了波段400～1 550 nm的有效光譜探測(cè)[92]。此外，光照之后Ids-Vg曲線負(fù)向偏移，說(shuō)明碳納米管作為空穴陷阱層留住了大量的光生空穴從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯電導(dǎo)率的有效調(diào)節(jié)。該碳納米管/石墨烯異質(zhì)光電探測(cè)器的增益優(yōu)于105。同年，Lee等將石墨烯與光吸收材料CH3NH3PBI3鈣鈦礦層結(jié)合起來(lái)[101]，盡管該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效探測(cè)范圍僅限于可見(jiàn)光波段，但其具有優(yōu)異的響應(yīng)度。

石墨烯極薄的厚度限制了其對(duì)于入射光波長(zhǎng)大于可見(jiàn)光波段的吸收能力，于是2014年Liu等嘗試構(gòu)建了石墨烯/Ta2O5/石墨烯堆疊層[103]以增加石墨烯結(jié)構(gòu)對(duì)光的吸收。其中使用的是轉(zhuǎn)移到Si/SiO2襯底上通過(guò)CVD法制備在銅箔上的石墨烯。該工作中為制備石墨烯/Ta2O5/石墨烯異質(zhì)結(jié)，首先將石墨烯轉(zhuǎn)移到具有285 nm 厚SiO2的Si片上，采用光刻法、石墨烯等離子體蝕刻法和金屬剝離法制備背柵石墨烯晶體管；然后在樣品上通過(guò)射頻濺射5 nm厚的Ta2O5薄膜，將石墨烯轉(zhuǎn)移到作為隧穿勢(shì)壘的Ta2O5薄膜的頂部，再經(jīng)過(guò)光刻、蝕刻和金屬剝離工藝制備頂柵石墨烯晶體管[103]。在光照下，頂部單層石墨烯產(chǎn)生的光生電子進(jìn)入底層，而光生空穴留在頂層，這對(duì)以Ta2O5為材料的溝道層電導(dǎo)產(chǎn)生了很強(qiáng)的光柵控效應(yīng)。在室溫下，該結(jié)構(gòu)對(duì)近紅外-中紅外(1.3～3.2 μm)波段的響應(yīng)度高于1 A·W-1。該結(jié)果說(shuō)明光柵控效應(yīng)在石墨烯基光電探測(cè)器的紅外光檢測(cè)方面仍具有較大的探索空間。

2021年，Yang等采用Ge/Graphene/CdS結(jié)構(gòu)，在保證高響應(yīng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了雙色光探測(cè)[104]。具體結(jié)構(gòu)如圖14所示。這一成果顯示出基于石墨烯為溝道混合結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器具備研究前景。

圖14 Ge/Graphene/CdS結(jié)構(gòu)的石墨烯基光電探測(cè)器簡(jiǎn)圖[104]

2.5.4 基于界面柵/門控效應(yīng)的混合結(jié)構(gòu)進(jìn)展

利用界面柵(門)控效應(yīng)是這幾年研究的熱點(diǎn)，它是指利用界面效應(yīng)對(duì)光響應(yīng)的調(diào)控。一般這樣的器件中光響應(yīng)區(qū)域限于層與層交界處，雖然器件利用率下降，但是光響應(yīng)度卻可以大大提高。2016年，Guo等使用P型輕摻雜的硅作為單層石墨烯的襯底和柵極[105]，如圖15所示。利用在Si/SiO2界面處向下彎曲的能帶聚集大量空穴，從而在界面附近形成內(nèi)建電場(chǎng)，這就相當(dāng)于在石墨烯溝道上施加了一個(gè)負(fù)向柵壓，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光生電子-空穴對(duì)的有效分離。結(jié)果表明，該光電探測(cè)器具有優(yōu)異的性能，它能夠?qū)π∮? nW的光信號(hào)進(jìn)行高靈敏度探測(cè)。這里選擇輕P摻雜硅原因在于重?fù)焦钑?huì)有效地縮短過(guò)量電子的壽命[106]。

圖15 基于界面柵/門效應(yīng)下的石墨烯基光電探測(cè)器。(a)具有正局域態(tài)(qΦ0)的p型輕摻雜Si/SiO2襯底上的界面能帶圖。光生電子(藍(lán)點(diǎn))在界面處的累積導(dǎo)致在光照下產(chǎn)生額外的負(fù)電壓，將費(fèi)米能級(jí)(EF(Gr))降低到新位置(E′F(Gr))，從而在石墨烯中形成光誘導(dǎo)的p型摻雜；(b)p型輕摻雜Si/SiO2襯底上石墨烯基光電探測(cè)器的剖面圖以及載流子遷移方向[105]。

為了進(jìn)一步研究基于光柵控效應(yīng)下的石墨烯基光電探測(cè)器對(duì)于可見(jiàn)光以外波段的探測(cè)情況，同時(shí)盡可能消除由于施加?xùn)艍簬?lái)的暗電流， 2019年，日本科學(xué)家Shoichiro等探究了位于正硅酸乙酯/銻化銦上的單層石墨烯在中紅外波段的光電特性(圖16)[107]。實(shí)現(xiàn)了石墨烯基光電探測(cè)器的中紅外波段光響應(yīng)14.9 A·W-1，比之前結(jié)果大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)顯示在150 K以及低于該溫度的條件下該器件均有顯著的光響應(yīng)，如圖16(a)所示。

圖16 (a)在黑暗和4.6 μm脈沖激光輻照下，器件的漏電流和漏電壓(Id-Vd)特性曲線；(b)器件在4.6 μm脈沖激光輻照下的漏電流-時(shí)間(Id-time)特性曲線，脈沖周期：開(kāi)啟時(shí)間0.8 s，關(guān)閉時(shí)間1.2 s；(c)開(kāi)/關(guān)比(I photo/I dark)與漏電壓Vd的函數(shù)關(guān)系[107]。

相較于其他類型的石墨烯光電探測(cè)器，高響應(yīng)度是光柵控效應(yīng)石墨烯基光電探測(cè)器最大的優(yōu)勢(shì)，但可探測(cè)的波長(zhǎng)卻仍然局限于可見(jiàn)光到中紅外波段。值得說(shuō)明的是，即便在近紅外-中紅外波段，要想同時(shí)得到高的響應(yīng)度和較大的增益，對(duì)該類探測(cè)器而言也需要借助低維復(fù)合結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)。一部分原因在于單層石墨烯本身并不具備較好的寬波段范圍吸收率，而增加石墨烯的層數(shù)又勢(shì)必會(huì)降低其載流子遷移率。無(wú)論是量子點(diǎn)摻雜還是基于界面柵/門控效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)摻雜均可帶來(lái)較高的響應(yīng)度，但卻會(huì)使得石墨烯載流子遷移率降低，從而犧牲了響應(yīng)速度。

2.6 基于光電導(dǎo)效應(yīng)的石墨烯光電探測(cè)器

與光伏效應(yīng)中由于內(nèi)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電子-空穴對(duì)分離不同，光電導(dǎo)效應(yīng)是通過(guò)外加偏壓來(lái)使電子-空穴對(duì)分離[7]。在入射光照射下，探測(cè)器吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并在外加偏壓的作用下使其分離，這時(shí)獲得的光電流大于暗電流。光照后，器件電導(dǎo)會(huì)增加一段時(shí)間，該時(shí)間稱為持續(xù)時(shí)間。光電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之間的差異反映著光照水平。如果持續(xù)時(shí)間超過(guò)載流子通過(guò)器件的傳輸時(shí)間，則被吸收的光子所產(chǎn)生的電荷都會(huì)對(duì)光電流有所貢獻(xiàn)[108]。而持續(xù)時(shí)間本身是由電子-空穴對(duì)復(fù)合時(shí)間所決定，因此缺陷存在有助于延長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。此外，這些缺陷不僅可以延遲帶間復(fù)合還能夠捕獲電荷，因此對(duì)光電導(dǎo)增益提高尤為重要(圖17)。

圖17 (a)在光電二極管中利用電子和空穴的漂移和擴(kuò)散，其中電子-空穴對(duì)通過(guò)由帶空間彎曲表示的內(nèi)置電場(chǎng)的作用而分離。在光吸收時(shí)，光子的能量轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體中的電子(實(shí)心圓圈)，將其提升到導(dǎo)帶(上黑線)并在價(jià)帶(下黑線)留下一個(gè)空穴(空心圓圈)。(b)在光電導(dǎo)體中，一種類型的載流子被捕獲，而另一種在電場(chǎng)的影響下循環(huán)(在該描述中，電子被捕獲)。紅色箭頭描繪了電子從導(dǎo)帶捕獲到相關(guān)陷阱狀態(tài)。如果空穴壽命超過(guò)空穴穿過(guò)器件所需的時(shí)間，那么被束縛電子的持續(xù)時(shí)間確?？昭梢酝ㄟ^(guò)外部電路多次循環(huán)，從而獲得增益[108]。

Giovannetti等在2008年試圖從理論上解釋石墨烯溝道內(nèi)的光電導(dǎo)效應(yīng)[109]，他們認(rèn)為在石墨烯溝道區(qū)域內(nèi)發(fā)生的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)同金屬-石墨烯結(jié)之間的空間距離有特定的關(guān)系，即距離金屬-石墨烯結(jié)越近光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)越強(qiáng)，反之距離金屬-石墨烯結(jié)越遠(yuǎn)則該效應(yīng)就越弱。同一年，Lee等使用掃描光電流顯微鏡從實(shí)驗(yàn)上分析了石墨烯溝道內(nèi)光電流空間分布情況[110]，并驗(yàn)證了Giovannetti等的結(jié)論。2010年，Peter和他的同事對(duì)石墨烯溝道進(jìn)行分區(qū)摻雜[20]，部分石墨烯通過(guò)氧離子進(jìn)行p摻雜，另外一部分通過(guò)聚乙基亞胺水溶液進(jìn)行n摻雜，在波長(zhǎng)為633 nm的激光下獲得了掃描光電流圖像，并發(fā)現(xiàn)在外部偏壓為零的情況下通過(guò)光照得到了與金屬位置相依賴的異常高的光電流。他們將這種光響應(yīng)歸因于不同摻雜區(qū)域的費(fèi)米能級(jí)差在p-n結(jié)界面中形成的內(nèi)置偏壓。除了通過(guò)分區(qū)摻雜形成能級(jí)差進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)置電壓外，研究人員還嘗試了利用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)石墨烯的光電導(dǎo)效應(yīng)。2012年，Lee等[111]采用石墨烯-CdS納米線異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)了石墨烯的光電導(dǎo)效應(yīng)。如圖18所示，作者通過(guò)在石墨烯溝道表面垂直生長(zhǎng)大量CdS納米線，在石墨烯溝道內(nèi)產(chǎn)生垂直的內(nèi)置電場(chǎng)，相比于之前在石墨烯水平方向分區(qū)摻雜，該方法顯著提高了光電流。除了具備良好的響應(yīng)度外，還具備較高的響應(yīng)速度，有望在高速光電設(shè)備方向應(yīng)用。

圖18 基于石墨烯-CdS NW(Nano-wire)混合結(jié)構(gòu)的高性能光電導(dǎo)通道制備過(guò)程示意圖。(a)將單層石墨烯片轉(zhuǎn)移到SiO2 襯底上；(b)在石墨烯上沉積金催化劑層；(c)使用真空爐在金催化劑上生長(zhǎng) CdS 納米線；(d)制備沉積在石墨烯片的兩個(gè)邊緣上的金屬電極[111]。

除了在石墨烯溝道表面進(jìn)行改性外，人們還嘗試采用不同的襯底來(lái)調(diào)節(jié)石墨烯的光電導(dǎo)效應(yīng)。 2018年，Gorecki等設(shè)計(jì)了將石墨烯溝道置于摻鐵鈮酸鋰襯底之上的結(jié)構(gòu)[112]，該器件相比于傳統(tǒng)的Si/SiO2襯底結(jié)構(gòu)其電流密度得到了顯著的提高。在保證良好的響應(yīng)度的基礎(chǔ)上，研究人員還著手優(yōu)化其他光電導(dǎo)效應(yīng)下石墨烯光電探測(cè)器的參數(shù)。如圖19所示， 2019年Li等采用裁剪石墨烯溝道的方案[113]，使用Ga2O3∶Zn作為襯底，充分利用石墨烯同Ga2O3∶Zn之間能級(jí)差帶來(lái)的內(nèi)置電場(chǎng)。 這樣不僅保證了高響應(yīng)度，同時(shí)還在5 V外加?xùn)艍合芦@得了暗電流僅為1.6×10-11A的結(jié)果，顯示出其卓越的開(kāi)關(guān)比。

圖19 器件制備過(guò)程示意圖。通過(guò)常用的濕轉(zhuǎn)移方法將石墨烯(Gr)轉(zhuǎn)移到Si襯底的SiO2表面；再在標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝之后，通過(guò)磁控濺射將用于探針測(cè)試的Ti/Au電極沉積在Gr上；最后，金屬和Gr電極都通過(guò)PMMA的簡(jiǎn)便方法轉(zhuǎn)移到Ga2O3∶Zn薄膜上[113]。

由于光電導(dǎo)效應(yīng)多發(fā)生在金屬接觸區(qū)域外，因此在缺少異質(zhì)結(jié)內(nèi)置電場(chǎng)的條件下只能通過(guò)石墨烯改性來(lái)實(shí)現(xiàn)局域內(nèi)置電場(chǎng)的調(diào)控，從而達(dá)到對(duì)光生電子-空穴對(duì)分離的目的。其他二維材料如WS2和MoS2，也可以被用來(lái)制備基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電探測(cè)器，但由于這二者的帶隙約為0.8 eV，相比于零帶隙的石墨烯而言光生電子-空穴對(duì)的激發(fā)更加困難，所以響應(yīng)度很低。

2.7 其他

除上述器件結(jié)構(gòu)外，研究者們還制備出一些其他類型的光電探測(cè)器，為光電探測(cè)器的發(fā)展拓寬了道路。Pataniya等利用電泳沉積技術(shù)制備出一種基于二硫化鎢/石墨烯異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，它可用于柔性、大面積、高靈敏度的光電探測(cè)器[56]。如圖20所示，該二硫化鎢/石墨烯光電探測(cè)器制備過(guò)程兼具節(jié)能與環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，并且在390～1 080 nm的寬光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的光響應(yīng)。此外，該器件的光響應(yīng)度達(dá)0.439 A·W-1，比探測(cè)率為1.41×1010Jones。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化其外部量子效率更是達(dá)到了81.39%。該探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間為2.1 s，比之前的報(bào)道要短很多。在經(jīng)過(guò)500多次彎曲形變后，光電探測(cè)器仍然能夠維持良好的性能，表現(xiàn)出優(yōu)異的柔性特性。

圖20 (a)～(g)二硫化鎢/石墨烯異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器制作工藝示意圖[56]

我們總結(jié)了以上不同響應(yīng)機(jī)制制備的石墨烯光電器件的性能參數(shù)，如表1所示。

表1 不同響應(yīng)機(jī)制對(duì)應(yīng)器件的性能指標(biāo)

3 目前存在的挑戰(zhàn)及未來(lái)展望

本文簡(jiǎn)要地總結(jié)了基于不同響應(yīng)機(jī)制的石墨烯基光電探測(cè)器的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，并著重討論了六種不同石墨烯基光電探測(cè)器的響應(yīng)機(jī)制及應(yīng)用。在過(guò)去近二十年里,基于石墨烯光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝及性能進(jìn)展迅速，這些發(fā)展為未來(lái)光電器件廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域提供了更多的可能性和新的發(fā)展路線。但石墨烯基光電探測(cè)器的制備和應(yīng)用仍存在一定的局限性，例如單層石墨烯的吸收率過(guò)低，因此限制了器件的小型化，但雙層及更厚的石墨烯的遷移率則較低，并且多層石墨烯對(duì)于入射光波長(zhǎng)大于可見(jiàn)光波段的吸收能力也非常有限。此外，由于基于光柵控效應(yīng)的石墨烯基光電探測(cè)器僅在可見(jiàn)光到中紅外波段有效，因此為實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度、大增益的石墨烯基光電探測(cè)器往往需要設(shè)計(jì)低維復(fù)合或異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)六種響應(yīng)機(jī)制對(duì)石墨烯基光電探測(cè)器性能影響方面的分析和展望，我們不難看到，在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中利用好這些機(jī)制仍具有一定的挑戰(zhàn)。(1)基于光伏效應(yīng)的石墨烯光電探測(cè)器由于其響應(yīng)機(jī)制簡(jiǎn)單，制備工藝和成本較低，可廣泛應(yīng)用于一些造價(jià)成本不高、精度要求較低以及有大規(guī)模制備需求的器件中，但無(wú)法滿足精度更高需求的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。(2)光熱電效應(yīng)下的石墨烯光電探測(cè)器由于當(dāng)前研究多從晶格熱梯度產(chǎn)生溫差進(jìn)而產(chǎn)生電勢(shì)差的角度入手來(lái)提升響應(yīng)度，因此基于該機(jī)理來(lái)提升器件性能的方法對(duì)加工工藝提出了更高的要求。 (3)等離子體輔助機(jī)制下的石墨烯光電探測(cè)器盡管能探測(cè)到遠(yuǎn)紅外、太赫茲波段的入射光，且響應(yīng)度可維持在一個(gè)相對(duì)較高的水平，但是其可探測(cè)波段單一，且只能在石墨烯表面周期性結(jié)構(gòu)的共振波段工作，因此不適合應(yīng)用于寬波段探測(cè)。并且器件加工成本高，限制了其在工業(yè)制備領(lǐng)域的發(fā)展[114-118]。(4)光柵控效應(yīng)下的石墨烯光電探測(cè)器可以通過(guò)摻雜來(lái)提高響應(yīng)度，但摻雜會(huì)造成響應(yīng)速度降低，并且由于每次摻雜的量子點(diǎn)數(shù)目有限，導(dǎo)致基于該效應(yīng)下的石墨烯光電探測(cè)器無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作。(5)光輻射熱效應(yīng)下的石墨烯光電探測(cè)器對(duì)其具體理論機(jī)理尚不明確，器件的響應(yīng)度相較于其他效應(yīng)下的光電探測(cè)器響應(yīng)度較低。(6)在長(zhǎng)波段范圍內(nèi)，光電導(dǎo)效應(yīng)需要和周期性結(jié)構(gòu)耦合來(lái)完成對(duì)入射光的探測(cè)[119-120]。在短波段方面，無(wú)論是石墨烯還是其他二維材料，響應(yīng)度均距離工業(yè)化應(yīng)用需求有較大差距。比如，以Ga2O3∶Zn為襯底的石墨烯基光電探測(cè)器在深紫外波段響應(yīng)度只有1.05 A·W-1[113], 以MoS2為溝道材料的光電導(dǎo)效應(yīng)光電探測(cè)器在可見(jiàn)光波段最大不超過(guò)7.5 mA·W-1[121];相比之下，同樣基于光電導(dǎo)機(jī)制，相同的入射光波段ZnO納米線溝道響應(yīng)度可以達(dá)到1.29×104A·W-1[122]，Si納米線溝道響應(yīng)度可以達(dá)到105A·W-1[123]。

其次，除上述問(wèn)題外，石墨烯材料也面臨其他新型二維材料的挑戰(zhàn)[124-126]。如金屬硫系納米片，以MoS2為代表的一些金屬硫系化合物是半導(dǎo)體，其帶隙取決于其層數(shù)，對(duì)特定波長(zhǎng)具有更高的光吸收度，并且比石墨烯具有更好的波長(zhǎng)選擇性,純金屬硫系納米片顯示出比純金屬更高的光響應(yīng)性[127-128]。同時(shí)，二維氧化物、氫氧化物、碳化物和氮化物晶體正受到越來(lái)越多的關(guān)注[126,129-131]。

雖然還面臨許多挑戰(zhàn)，但眾多研究已經(jīng)證明基于上述六種機(jī)制的石墨烯光電探測(cè)器在電子、機(jī)械裝備、電化學(xué)和生物等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景[132-141]。例如，對(duì)于電子領(lǐng)域而言，基于上述六種機(jī)制開(kāi)發(fā)的光電探測(cè)器的研究成果和思路還可以用于光發(fā)射器、氣體傳感器、光電池的開(kāi)發(fā)[132]，這主要得益于石墨烯光電探測(cè)器的高響應(yīng)度和高外部量子效率。在電化學(xué)領(lǐng)域，高穩(wěn)定性的石墨烯基光電探測(cè)器被用于納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)[134]、DNA傳感器[135]、光電化學(xué)傳感器[136]和太陽(yáng)能電池[137]。在生物領(lǐng)域，石墨烯基光電探測(cè)器也被用于熒光傳感器[138]、細(xì)胞蛋白檢測(cè)[139]，尤其是在光電探測(cè)器領(lǐng)域?qū)τ陂L(zhǎng)波段入射光的探測(cè)成果已被大量地應(yīng)用在生物醫(yī)藥方面[140]。因此，對(duì)其響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步理論探究對(duì)其他領(lǐng)域的發(fā)展具有非常重要的借鑒意義。

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