石墨烯光電探測器

石墨烯光電探測器

2.1.1 石墨烯光電探測的相關原理

有關石墨烯光電探測和光電子應用的關鍵原理已經被報道。這里包括光伏效應，光的熱效應，熱輻射效應，光選擇效應和等離子體波輔助機制。

（a）                    （b）

（c）                          （d）

圖2.1 石墨烯光電探測原理 （a）光伏效應；（b）光熱電效應；（c）測輻射熱效應；（d）輔助的等離子體波機制

光伏效應

光伏電流來源于由不同摻雜區域連接處內部電場或外置電場所產生的光生電子分離。石墨烯是半導體，自身會產生了大量的暗電流，不適于外置電路。內置區域可以用本身的化學摻雜，通過選通脈沖產生靜電效應或者通過利用好在石墨烯和金屬接觸點的功函數差別來引入。石墨烯通道可為P型或N型。光電流的方向僅依賴于電場，而非整體的摻雜程度。因而其可從p-n到n-p，或者從p-p+到p+-p之間轉換信號。

光熱電效應

輔助熱載流子輸運在石墨烯中扮演重要地位。由于這種強烈的電子-電子相互作用，光激電子對可以給載流子快速（~10-50fs）加熱。因為光頻聲子能量（~200meV）在石墨烯中很大，輻射產生的熱載流子可以保持在一個溫度上。最終熱電子會與晶格之間得到平衡。

光生熱電子通過光熱電效應（即PTE或塞貝克效應）產生光電壓=（-），其中（在V ）是不同摻雜石墨烯區域的熱電動力（溫差電勢率），是不同區域電子溫度差。

輻射熱效應

輻射熱效應與由入射光子產熱導致的輸運電導率變化相關。一個輻射熱計可以通過吸收入射輻射dP，并讀出導致的溫度變化量dT來測量電磁輻射的強度。輻射熱計的關鍵常數有電阻=dT/dP，還有熱容量，其決定了響應時間=[28]。石墨烯有很小的體積和很低的態密度，因而得到很低的和一個很高的響應度。這里不直接產生的光電流，而要求有外置的偏壓，不需要引進p-n結。

由入射光引起的電導率變化可歸于以下兩種機制：⑴由于相關溫度改變引起載流子遷移率的改變；⑵對電流有貢獻的載流子數目的改變（如PV效應)。

光門效應

光門效應是基于GRM載流子濃度n引起的光誘導的改變，因而其電導率=。第一，電子-空穴對的生成發生在GRM中，隨后其中之一被復合（例如在陷阱電荷中或者附近納米粒子的分子中）。第二，電子-空穴對生成發生在GRM附近的納米粒子中，分子，或者陷阱電荷中。接著，一種載流子轉移到GRM，同時其他的載流子待在微粒，分子或者陷阱中。

通過運用高遷移率的導體和長的響應時間，提高光電導的增益。同時，長的減慢了運行速度。因而這類探測器可以被用在低的暫時頻帶寬度上，例如視頻圖像電流。所以合適的評估不僅來自響應度，還有其噪聲等效功率（NEP）和特殊的探測能力。

輔助的等離子體波機制

Dyakonov和Shur提出了一個光電探測的方案，即通過憑借場效應晶體管（FET）來產生有限直流電壓來回應振蕩的輻射場。一個擁有2維電子氣體的FET可以扮演一個等離子體波的腔體（即密度振蕩）。這些等離子體波只受到微弱的阻擋（即在衰減完之前可從源極到達漏極），輻射探測利用了等離子體波在腔體當中的相長干涉，從而引起共振的加強反應。在[29]中，由于THz輻射激發出的等離子體波是過阻尼的，因而不能運行在共振模式。

漏源極之間的電勢差包含了直流的部分，即使進來的場是交流的，即得到了信號整流效果。這對于THz輻射探測來說非常有用。整流的出現是因為FET通道中2維的電子氣體非線性的響應（在[30]中，包括2維電子氣體流體動力學非線性響應）。

2.1.2 純石墨烯光電探測器

石墨烯光電流的產生機理

（a）                            （b）

圖2.2 （a）上邊：雙通道的石墨烯探測器（擁有不同摻雜區域）對激光束的探測。下邊：對應上面器件上掃描電流的分布；（b）熱載流子（HC）和光伏效應分別產生的光電流與遷移率之間的關系。

F．Xia等人采用局部掃描光電流成像的方法，得出金屬接觸對石墨烯通道的電子結構有顯著影響，如圖2.2（a）。這種影響延伸到了接觸以外幾百納米的范圍，隨著柵偏壓的改變，石墨烯中的費米能級位置變化。從而形成PNP或者NPN的電子分布，并且在PN結處光電流的強度最強。

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