从可见光至太赫兹波段的超宽带光探测器

还原氧化石墨烯-硅纳米线阵列异质结光探测器

宽带光探测器在很多重要的领域有广泛应用,包括红外成像、遥感、环境监测、天文探测、光谱分析等。特别是在红外成像领域,要实现真正意义上的多色红外成像,探测器必须能同时探测不同波段的红外辐射如短波红外(1~3mm)、中波红外(3~5mm)、长波红外(8~14mm)、甚长波红外(>14mm)、甚至是太赫兹波(30~3000 mm)辐射,这是相当具有挑战性的。目前,为了在一定程度上实现多色红外成像,是将适于探测不同红外波段的多个探测器集成在一起,并且确保这些探测器同步工作,导致器件结构和工艺相当复杂。

中国科学院理化技术研究所贺军辉研究员领导的研究团队和清华大学孙家林教授团队合作,在实现超宽带光探测方面取得重要进展,实现了一个探测器就可以完成从可见光(532nm)到太赫兹波(2.52THz,118.8mm)的超宽带光探测,达到了以往多个探测器同时工作才能达到的探测带宽

化学剥离石墨制备的氧化石墨烯的还原产物称为还原氧化石墨烯,具有天然的能隙,而且,这个天然的能隙可以通过氧化石墨烯的还原程度来调控:随着氧化石墨烯还原程度的提高,能隙从10~50 meV(对应于波长范围124~24.8 mm的电磁波能量)到接近于零。显然,这个天然的10~50 meV窄能隙适合探测红外(2.5~30 mm)和太赫兹波(30~3000 mm)。

至此,实现高灵敏度超宽带探测器件仍有障碍,石墨烯的光吸收率较低,不利于实现高灵敏度探测;而且,还原氧化石墨烯的几十毫电子伏特的能隙不适宜探测可见和近红外光。硅纳米线阵列具有两个独特的优点,可以在一定程度上弥补还原氧化石墨烯的不足:其一,硅1.12eV的带隙,使得硅纳米线阵列适合探测可见和近红外光;其二,有序排列的纳米线阵列结构可以强烈地抑制光的反射,进而提高器件的光捕获能力。因此,他们将还原氧化石墨烯和硅纳米线阵列两者的优势结合,制作了还原氧化石墨烯—硅纳米线阵列异质结光探测器。该异质结探测器在室温下,首次实现了从可见光(532nm)到太赫兹波(118.8 mm)的超宽带光探测。他们还发现,氧化石墨烯的还原程度对探测性能有显著影响,随着氧化石墨烯还原程度的提高,探测器的响应率可以提高5倍以上。在所有波长中,探测器对长波红外(10.6mm)的响应率最高,为9 mA W-1,由于人体红外辐射峰值波长为9~10 mm,实验验证,该探测器对人体红外辐射具有灵敏的响应,可用于人体红外传感如夜视领域。因此,还原氧化石墨烯—硅纳米线阵列异质结光探测器在超宽带光探测方面,特别是宽带红外光探测方面具有良好的应用前景。

该工作得到了国家自然科学基金,科技部973计划,科技部863计划以及清华大学低维量子物理国家重点实验室开放基金的资助。

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探测器结构示意图(插图为照片)及其对可见(VIS,532nm)、近红外(NIR,1064nm)、中红外(MIR, 10.6μm)和太赫兹(THz, 118.8μm)的动态光响应特性。