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可用于未来光学技术领域的基于石墨烯的光电晶体管

  • 时间: 2017-04-24 16:19:47
  • 来源: 光行天下
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       研究人员已经解决了一个阻碍由石墨烯制成的高度灵敏的光学器件发展的一个关键问题,这一技术进步可能为从成像和显示器的传感器到高速通信等各种领域带来应用价值。
  石墨烯是一个非常薄的碳层,在光电领域的应用很有前景,研究人员正试图开发石墨烯为基础的光电探测器,这一设备是许多技术的关键。然而,典型的由石墨烯制作而成的光电探测器只有一个小的区域对光是敏感的,这限制了它们的性能。
  现在,研究人员利用石墨烯与相对较大的碳化硅衬底的结合解决了这一问题,可形成石墨烯晶体管,或GFETs,它可以激发光,Yong Chen说,他是普渡大学物理与天文学和电气和计算机工程教授,并且还是普度大学的量子中心主任。
  高性能光电探测器对于包括高速通信和超敏感的天体物理相机,以及传感应用和可穿戴电子产品应用等许多领域都十分有用。石墨烯基晶体管阵列可能用于实现高分辨率的成像和显示器。
  “在大多数相机中,你需要大量的像素,”密歇根大学核工程与放射科学教授Igor Jovanovic说。“然而,我们的方法是可以制作一个非常敏感的相机,只需相对较少的像素,就能实现很高的分辨率。”
  这一最新研究进展已经发表在《自然纳米技术》杂志上的一篇研究论文中,论文详细介绍了这一新的发现。这项工作是由普渡大学、密歇根大学和美国加州州立大学的研究人员共同完成的。
  “在目前已经证明的典型的基于石墨烯的探测器显示,响应只来自于石墨烯附近的很小的特定区域,这一区域比整个器件的尺寸要小很多,” Jovanovic说。“然而,许多光电器件的应用,最好是获得响应灵敏度和定位在一个更大的区域内实现。”
  新的研究结果表明,该设备对光的响应,即使当碳化硅的照射距离石墨烯较远时也会发生。其性能可以增加多达10倍,取决于材料的哪个部分被照亮。新的晶体管也是“位置敏感,”这意味着它可以确定光束来的位置,这对于成像应用和探测器来说将是非常重要的。
  “这是第一次有人展示了一小片石墨烯在大晶圆碳化硅实现非局部探测使用,光线不是直接击中石墨烯本身,“Chen说。“在这里,光可以发生在一个更大的区域,几乎是一毫米范围,这在以前是没有实现过的。”
  在碳化硅背面和石墨烯之间施加电压,在碳化硅中设置电场。入射光会在碳化硅中产生“光载体”。
  “半导体提供了与光相互作用的媒体,” Jovanovic说。“当光线进来时,器件的一部分会导电,这就改变了石墨烯上的电场。”
  这种电场的变化也改变了石墨烯本身的导电性,这中效应是检测到的。该方法被称为场效应光检测。
  碳化硅是“未掺杂的”,不像传统的硅基晶体管半导体。不掺杂使材料成为绝缘体,除非它暴露在光中,这会暂时使它变成部分导电,改变石墨烯上的电场。
  “这是这项工作的新颖性所在,” Chen说。
  这项研究是以开发新的石墨烯为基础的传感器的部分工作,这项工作所制作的传感器旨在用于探测辐射,并且工作是由国家科学基金会和美国国土安全部共同资助,还有部分资助来自于降低国防威胁的机构。
  Chen说:“这篇特别的论文是关于一种探测光子的传感器,但其原理与其他类型的辐射是一样的。而我们使用的是敏感的石墨烯晶体管来检测改变的电场所造成的光子,在这种情况下,是与碳化硅衬底相互作用的光。”
  光探测器可用于器件称为闪烁体,这是用来检测辐射的。电离辐射造成的短暂闪光,闪烁的的设备称为光电倍增管检测,这是一种大约一个世纪前的技术。
  “因此,我们很有兴趣开发先进的半导体为基础的设备,可以实现相同的功能,” Jovanovic说。
  本文作者是前普度大学的博士后研究员Biddut K. Sarker;前宾州州立大学的研究生Edward Cazalas;普度大学的研究生Ting Fung Chung;前普度大学的研究生Isaac Childres;Jovanovic; 和Chen共同合作进行的。
  研究人员还用计算模型解释了他们的发现。这种晶体管在普渡的发现公园内的比尔克纳米技术中心进行了制作。
  未来的研究将包括工作探索可用于高能辐射的天体物理学和传感器的闪烁体探测和成像技术等。