石墨烯基紅外探測器研究

摘 要：紅外探測器在光電通訊、熱成像以及遠程傳感方面具有重要的應用。本文指出了當前納米紅外探測器研制方面的難題和發展趨勢。

關鍵詞：紅外探測器；納米技術；光電器件；石墨烯

1 引言

紅外探測器在通訊、熱成像以及傳感方面具有廣泛的應用。實用化的紅外探測器除HgCdTe、InSd等本征結構紅外探測器外，還采用硅和硅化物的肖特基勢壘光電探測器，由于使用厚的金屬電極，使得響應率低，導致其發展受到一定限制。納米材料制作的紅外光電探測器由于具有高的光響應率，因此近年來基于量子阱、量子點、石墨烯、有機半導體的紅外探測器被大量報道[1]。作為紅外探測器的一種重要的半導體材料，PbS量子點的響應率達到2700A/W，可以與單晶硅制作器件的響應性相比較[1]。由于半導體光電探測器的響應性與其載流子遷移率成正比，但是量子點的遷移率遠低于石墨烯的遷移率。因此，使得量子點紅外光電探測器的發展受到了一定限制。

2 石墨烯在光電探測器中的應用前景

石墨烯是碳六元環單原子層構成的二維納米材料，具有非凡的載流子遷移率200，000cm2V-1s-1、良好的透明性和導電性等優異性質[2]。與現有其他納米材料相比，石墨烯天然的平面結構更容易實現與現有半導體器件制造工藝兼容，從而可以獲得基于石墨烯的超敏、超快、高性能的探測器件。由于石墨烯缺乏帶隙，Dirac電子線性色散使其在超寬帶能夠得以調節，這個線性色散暗示了對于任何激發總會有一個電子-空穴對的共振。石墨烯作為超快的光電探測器具有寬帶（>500 GHz）光探測能力，寬光波長探測范圍，低的暗電流操作，良好的內部量子效率和容易制作等優點。但是，由于石墨烯在廣泛的光譜范圍內對光吸收僅約為2.3%，使得其響應率（6.1mAW-1）較低，光電流在nA量級，同時也缺乏波長調控性。

3 石墨烯與PbS納米點在光電探測器方面的應用

將石墨烯與PbS納米點結合來提高光電探測器的響應特性是一條重要途徑。Chitara， et al.報道了還原型氧化石墨烯和石墨烯納米帶在紅外波段的光電響應率為1A/W，這一值遠低于相應納米點的光電響應率。 Konstantatos等報道了機械剝離的單層或兩層石墨烯和PbS量子點的光電響應率達到107A/W。但是從技術和實用的角度來講，目前機械剝離的石墨烯尺寸大部分都在微米量級，大面積制作機械剝離的石墨烯是不可能的。因此，采用CVD法大面積（超過厘米見方）的石墨烯與PbS量子點結合是提高石墨烯基近紅外光電探測器的有效途徑。

4 結束語

從以上國內外研究進展可以看出，雖然石墨烯-硫化鉛納米點異質結紅外光電探測器研究方面取得了一定進展，但以上研究中石墨烯表面的硫化鉛納米點的尺寸和分布不可控，導致器件的可重復性不高，性能不可控，以及由此而產生的效率不高。本課題組已經在超薄氧化鋁模板制備及光電探測器件制造及高效能量轉化材料器件研究方面已經有了豐富的積累