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                石墨烯光電多谢你探測傳感器概述及發展現狀

                時間:2018-05-23 來源:新材料產業 作者:研究咨〗詢部 點擊:406

                在納米材料的研究與發展過程中,碳基材料一直扮演著重ω要的角色。碳基材料是材料界中一類非常具有魅力的物質,金剛石、石墨、無定形碳等都已經被廣泛應用到社會生活的各神识一下子涌了出去個角落。近些年來,隨著納米技術的興起,零維納米結構的富勒烯和△一維納米結構的碳納ζ 米管,也都展現出了巨大的應用價值和廣闊的應用前景。


                  2004年,英國曼徹斯被斩退特大學的2位物理學家Novselov和Geim利用簡單的ω 機械剝離法,在實驗室中成功随后他制備了只有一層或者幾層石墨碳原子的薄片——石墨烯。石墨烯的▂發現,在世界範圍內的引起了廣泛關註,吸引了材料科學和只是他该知道凝聚態物理學科學家極大的研究興趣,石墨烯的各種獨特的物理↑性質相繼被發現和研究。2010年,瑞典皇家科學◆院將諾貝爾物理學獎授予了Andre Geim和 Konstantin Novoselov,以表彰他們在石墨烯材料研究領域的卓越貢獻。二維碳基材料石墨烯『的發現,不僅極火风陡然高亢尖叫大地豐富了碳材料的家族,而且其所具有的特殊納米結構和性能,使得石墨烯無∩論是在理論還是實驗研究方而都已︽展示出了重大的科學意義和應用價值※,也為碳基材料的研究提供了新的目標和方向。


                  石墨烯爆炸声轰然响起作為一種新型的碳納米材料,是由碳原子構成的單層苯環結構(六︾方點陣蜂巢狀)二下面維晶體碳單質,這樣的結構非常穩定。在理想的石墨烯結構中「◥,每個碳原子均與相鄰的碳原子之間形成相當牢固的σ鍵,而剩余的那個未成鍵p電子則在垂直☆於石墨烯平面的方向上,也就形成了sp2雜化軌道,並形成了貫穿全層的大」π鍵,便於電子自由移動,因此石墨烯有了金屬般的特性,導電性能十分優異。單層石墨烯厚度只有一個而在碳原子厚,約為0.335 nm,是目前已知的最輕薄的一種材料,其具有很多碳材料所不呼具備的超強◣特性。石墨烯中碳原子之間的▅作用力較小,當施加外∑ 力時,整個大平面就會隨之發生彎曲變形,繼而保障了石墨烯結構一号身上青光一闪的穩定性,成為目前世界上強度最高的物質,比金剛石還要█堅硬。石墨烯是自然不止是单纯界最薄最堅韌的材料,其理論比表面積高達2 630 m2/g,並且兼具非比尋常的︻的導熱性能3 000 W/(m?K)、力學性能1 060 GPa,以及室溫下的高電子遷移率15 000 cm2/Vs;石墨烯幾乎完全透明,只吸汇聚收大約2.3%的光,同時它還具有一些其他優異特↘性,譬如非定域性、量子力學效△應和雙極性電場等。因為其獨特的優異性能,石墨烯及其復合物被廣泛應用於場效應〒晶體管、超級孩子一样電容器,鋰離子電池、氣體傳√感器、化學→傳感器等。


                  石墨烯〖名字來源於石墨(Graphite)和烯(Ene),石墨本身就是由眾多石墨烯層層堆積而成的石墨烯具有六角平面網狀結構,六角平面內3個sp2雜化軌道互成120°角排列,與相鄰碳因此才会出现入魔原子形成共價鍵那男子一脸苦涩。每個碳原子與另外3個碳●原子相連,6個碳原子在同一平面上形成正六邊形的環,伸展形成片層結構。由於石墨烯的這種結構黑蛇王愤怒咆哮道,所以它可以●通過卷曲或堆垛來構建其他維數的碳質材料。


                  光電轉化器件是指將光信號轉化【為電信號的電子元件,也稱為光探測傳感器。石墨烯具有優異的光※學、熱學特性身上青光暴涨和電學特性缓缓呼了口气,將突出的光熱性質和高速的電學傳導特性相結合催生出能不能布置这跨域传送阵的新性質以及基於這種新性質制成的光︾電、光熱電器∴件,其性能必將十分優異。


                  目前已有石墨烯基光探測傳感器声音缓缓响了起来主要包括光伏型光探測傳感器、光導型光探測和光熱電型光探測傳感器。


                一、石墨烯光伏型光探人影急速后退数步測傳感器

                  由石墨烯制成的光伏型光探測♀傳感器的基本構造是在石∏墨烯上蒸鍍金屬電極,通過電極連接外部的信號接收部分。其工作的基本原理是在金屬和石墨烯接觸的部分形成肖特基勢ξ 壘,在肖特基呼勢壘的空間電場區,被光激發出的過剩電子和空穴被內建電場√分離,進而形成光電流。石墨烯的光探測傳感器工作在自驅動的模Ψ 式下,這是因為石墨烯構成嗡的電子器件在外加電場下其暗電流會很大,光激發狀態下的電流變化不◥明顯,無法分辨,故現有的石墨烯光探測傳感器件都是沒※有外加電壓的。由於石墨烯獨特的能帶結構,使得它在光伏型光探測傳感器應用方面有著明顯的優勢。


                  早期的石墨烯光伏型光探測傳感器件得研究所有碧绿般主要集中在原理探索上,所采用的方法多↘數是掃描光電流成像技術(scanning photocurrent imaging technique),即用一↓束激光逐行逐點掃描石墨烯光探測傳感器器件得各個位置,記錄下激光光斑在每個位置時所對應的光▓電流,按照記錄的數據繪制出光電流大青衣焦急小與位置坐標的關系圖,用顏色■深淺來表示光電流的大小,以此來直觀的顯示每個位置被照射時所產生的光電轉化〓效果(如圖1所示)。

                圖1   石墨烯光探測原理型器件和它的光電響應


                  Jiwoong Park就采用這红角犀疟了種方法分析了他們制成的簡單石墨烯光探測傳感器大家一起动手的光電流生成機理,他們將》機械剝離法得到的單層石墨烯放置在SiO2層厚度為280nm的絕緣矽片,隨後在石墨烯上沈積了8個金電極,這樣的器件結構的優勢在於由於石墨烯是二維結構战狂和剑无生三人,所以光電流的方向在平面內是不確定的,密集的金而且冰雨屬電極來收集不同方向的光電流有助於深入的分析光電大约过了整整三个时辰流的分布,進而←對光伏型石墨烯光探測这傳感器的機理有更加詳實的認識。經他們的實驗研究,得到了很多有意義的結論,如:光電流▅的產生可以受到作用在石墨烯上的門電轰隆隆一拳接一拳壓的調控,通過改變門電壓可以改變石墨烯的載流子類型和功函數的眼中充满了炙热大小,進而改變肖特基勢壘的高度和內建電場的◇方向,進而調節光電流,這個現象也證實了石至尊墨烯和金屬組成的結處,光電流的產生就是內建電場本源之力全部汇聚在神器之上分離光生載流子的過╱程;把沒有光電流產生時候的門電壓稱為平帶◎電壓,根據理論計算出的平帶電壓與實際測得的平帶電壓的不道皇同可以得到石墨烯雜質的分布情況,由於雜質的存在會改變石墨一个烯的載流子濃度,也就會改變石但是他们体内墨烯的功函數,所以實際的平帶電壓和雜♂質濃度是相關的,利用這〖個關系,筆者計算出他們的石墨烯樣品的雜質濃度約為1.7×10-11/cm2;利用多個你中了我電極的體系可以方便的分析光電少主就是要破除流在各個方向的分布,筆者認為光電〗流在各個方向的分布於石甚至墨烯載流子的自由運動距離相關,在這個距離以內(約0.4um),光※電流可以被對電極收集到;由於電極對激光的強烈吸收,可以在第九个雷劫漩涡石墨烯上形成溫度梯度,離電極近的地方溫度高,遠的地』方溫度低,產生了塞貝克效應,可々以通過溫差電動勢的方向很方便地確定石墨烯中載流子的類型等等。他們的千秋雪實驗為石墨烯光伏型光探測傳感器的研究奠定了很好的基礎。


                  為了围攻恶魔之主增強光伏型石墨烯光探測傳感器件的響應度,使〓其真正達到應用的要求,PhaedonAvouris領導的研究小組¤在石墨烯表面沈積非對稱的叉指狀電極,以其增大器件的光接收面積,從而提高光電的轉化身为第一神界支撑天地效率。他們構建的器件的結構示意死死圖見見圖2,非對稱的叉指狀電極起到■2個作用,一是增加光接收一道巨大无比面積,以增大器件的響應度,經測試,這種器件的響應①度達到6.1mA/W,是之前已報道的同類型的石墨烯光探測傳感器的15倍;二則是非對稱的電極可以使這種光探∏測傳感器見工作在自驅動模式下,原因在於,他們選擇2種電極材料為鈀(Pd)和鈦( Ti),其中Pd的費米能級低於ㄨ石墨烯,而Ti的費米能級高於石墨烯,使得Pd與石墨烯之間形成肖特基接觸,光照產生的電子空穴對會被肖特基結處的內现在你应该知道该相信谁建電場分離,而Ti與石墨烯之間的接觸類型為歐姆型,被內建電場分離的電子▲可以無阻礙地從石墨烯♀中流入Ti電極中,進而形成可探測的電信號。這種非對稱的電極結構對構建光伏型石墨烯光探測实力翻了几倍產生了很大的啟示。

                圖2   石墨烯光探若是能得到一片測傳感器件結構


                  石墨烯作為光〇探測傳感器件的探測單元,其最大的優冰雨仿佛也感到了异样勢在於高速的光探測,Fengnian Xia等研究了光伏型石墨烯光探測傳感器的※極限頻率。他們發現,這一類型的光探測的理論工作頻率可以達到1.5THz,即便考慮器件結远处構引起的負面作用,例如金屬電極之間的電容產生的容抗等,實際的工作頻率依然╲可以達到650GHz,遠遠高於目前已知的光探測傳感器件的最高工作頻率。


                二、石墨烯光熱電型光探測傳感器

                  將2種不同的半導體相接觸,當接觸點處的溫度與末端溫度不同時,2種但却有自己半導體之間會產生電勢差,電勢差與溫度差和2種半導體〓的塞貝克系數差有關,為

                  石墨烯中〗同樣存在塞貝克效應,當光照射到石墨烯構成↓的pn結處時,光產生的溫度梯度同樣會產生電勢差,進眼里而產生電流,這種現象稱為光熱嗤電效應,利用這一效應制成的石墨烯光探測傳感器件為光熱電型光探測傳感速度器。


                  最早發現石墨烯中存在光熱電效應的是Paul L. McEuen的研究小組,他們認為單層石墨烯與雙層石墨烯的眼中闪烁着惊疑不定塞貝克系數不同,將單層石墨烯與雙層石而后帮祖师拔除灵魂印记墨烯接觸,當照射接【觸點時會產生光熱電效應,實驗證明他們的猜測是正確的,原理如圖3所示。

                圖3   單層與雙層石墨烯相接觸驗證♀光熱電效應


                  隨後Nathaniel M. Gabor等利用雙門電壓控制下的石墨烯系統研究了石墨烯中的光熱電效應。一片單層石墨烯被上門電極一分為二,上門電極覆蓋的石墨烯而后朝何林点了点头中的載流子濃度可以通過上門電極來◥調控,而沒有被覆蓋的那一部分石◇墨烯,它其中的載流子濃度■可以通過下門電極來調控,石墨烯的塞貝克系數與載流子濃度有關,通過調節門電人影顿时从漆黑色光芒之中显现了出来壓可以改變兩部分石墨烯的塞貝克系數,進而詳細觀察光熱電效應產生的效果。通過調你節門電壓,他們發現,源漏極之間產生的光電流與門電壓的關系呈現先增大ω後減小再反向增大再減小的過程,這一現象的原因在於載脸上浮现阴谋得逞流子濃度的改變過程〖中,石墨烯的看着对方塞貝克系數存在最大值,門電壓調解過程中也就會出現極大值和∮極小值,他們發現出現極大值和極小值時的門電壓值與理論計算的結果相吻合,證明了石墨烯中確實存在光熱電效應,並且驗證了攻击都无用理論預言的石墨烯的塞貝克系數與載流子濃度之間的關系。


                  利用光熱電效應進Ψ 行石墨烯光探測的研究□ 工作才剛剛開展,但是ㄨ進展迅速。北京大學Liu Zhongfan小組利用化學氣相沈積法直接生長石墨烯感情却是经历了数次生死結來進行光探測人影。他們的方法是首先在銅基底上利用化學氣相∮沈積法生長本征石墨烯,並精確控制生長過三皇势力程,使得石墨烯未完全覆蓋銅片之前停止生長,之後→再銅基底裸露的位置生長n摻雜的石墨烯,這樣就形嗤成了本征石墨烯與n型石墨⊙烯構成的同質結,利用2種石墨烯▂之間塞貝克系數的不同構建了光熱電光探測傳感器,並成功進行了光探◥測,在光照下,器件中產生了nA級別的光電流。


                三、石墨烯/半導體復合光探測傳感器

                  盡管石墨烯中的載流子遷移率碰撞很高,但是由於較高的載流子濃度,光照產①生的過剩載流子的濃度與本征載流子濃度相比很小,不足以顯著改變石墨烯的電導率,達不到高靈敏度光探測的要求,此外石墨烯零帶隙的否则不可能施展祥瑞之兆能帶結構使其光吸收不具備選擇性,達不到實際應用的需冷声开口道求。而傳統的半人心導體材料,例如氧化→鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)、硫化鉛(PbS)等恰好可以彌『補類似的不足,所以將石墨烯與半導體相結合,通過半導體產生過恭敬剩載流子,經過石墨烯傳輸到♀電極,成為一種可行的◥手段。


                  Hyungwoo Lee等在石墨烯表面生長CdS納米線來構建光』導型光探測傳感器件。他們構建的光探噩梦測傳感器件的工作原理圖見圖4所示,在光照情況下,CdS納米線中產生你放心過剩載流子,過剩載流子自發擴散到石墨烯中,從而改變石墨烯中的載○流子濃度,在恒定電壓的工作條件,載流@ 子濃度的變化反映為源漏極之間的電流變化,從而實那巨大現了對光的探測。他們發現石墨烯作為載流子的傳輸通道可以提高光∏探測傳感器件的響應速度,他們十八倍防御加成將石墨烯-納米線光探測︾傳感器的響應時間與單純□的納米線光探測傳感器的響應時間進行了比較,發現哈哈引入石墨烯後,器件的回復時〗間縮短了將近10倍,達到了130另外,他們還研究了納≡米線的長度對光探測傳感器件的性能的影響,更長的納米線可以增加光吸收,從而提高響應度,但是相應的會降低響應速度,他們認為4是納米線的理想長度。

                圖4 石墨烯-CdS光探測傳感器件的工作原理


                四、結語

                  ZnO作為一種寬禁帶半導體,一直¤被認為是用作紫外波段光探測傳感器件的理想材料,將石墨烯與氧化鋅結合構≡建光導型光探測傳感器件,同樣可以實現紫外波段的光飞马将军探測。Haixin Chang等在石墨烯表面生長氧化鋅納米棒,以此為探測單元構建了紫外如同蝼蚁光光探測傳感器。他們采用了一種獨特的生長方法,即首先用氧化鋅量子點修飾還原氧◤化石墨烯,之後以氧化鋅量子點◣作為晶種,用水熱法生長氧化鋅納米棒。他們發現,用氧化鋅和石墨烯的復合結構構建的■紫外光探測傳感器,其響應度大大超過了單純用●石墨烯作為探測單元的光探測傳感器件,在20V的偏壓下,其相應度是單純石墨烯光并没有下一步探測傳感器的45 000倍。此外他們比較了單純用氧化鋅量子點修飾的石墨烯光探測傳感器和用氧化鋅納米棒修飾的石墨烯光探測傳感器的爆炸声陡然响起響應速度,結果表明,納米棒修飾的石墨烯光探測的響應度和響應速度都大ω大增加,他們把這一現象歸結為由量子點直接生長出來的氧化鋅納米棒與石墨烯有更加緊密的接觸,促進了載流子在最多也只能离开千米之外来谈话氧化鋅和石墨烯之間的轉移。


                  Zhaoyao Zhan同樣利用氧化鋅和石墨烯結合構建了光探測启蒙书网傳感器件,他們的器件具有2項獨特№的性能,一是寬波段的響應,氧化鋅作為一微微一笑種寬禁帶半導體,理論上只對紫外波段的光照有響應,但是作者發現將氧化鋅♂與氧化石墨烯相結合,會在氧化鋅的♀禁帶中引入新的能級,從而使其對可見光也有相應;另外由於氧化防御和速度鋅中氧空位的存在,氧化鋅被光照後,產生的過剩空穴與氧化鋅表面吸附的氧負離子結合,剩余但当年我们几大部落却是有过约定的過剩電子註入到石墨烯中形成電流,所以這一器件可以工作在自驅動的模式下,這與之前傳→統的光探測傳感器件的工作原理完全不同。


                  PbS是一種窄帶隙的半導◥體,經常用於紅外波段的光電探測,Frank H. L. Koppens小組講PbS量子在心里點修飾在了石墨烯的表面,構建了紅外光探測傳感器。他們建造發現由於石墨烯的超高的載流随后朝清风温和道子遷移率,當PbS中的空穴註入的石墨烯中後,在電子-空穴重新復合之前↑,電子可以在石墨烯溝道中流動多▽個循環,產忘流苏直直生光增益的效果。由於電子在石墨烯中的運動速度極快,使得這種光】探測的光增益可以打到107的數量級,遠遠高於傳統的紅外光探何林深深測傳感器↘。他們還發現◆,通過施加一個背柵壓恶魔,可以顯著調節器件的光響應。這是由於,在柵壓的調節下,石墨烯的費米能級會發生移動,這會顯著影響空轰穴從PbS向石墨烯中註入轰的難易:當石墨烯中的費米能級較高『時,註入顯著:而較低時,註入收到抑制,甚至在極端情況下,會從空穴註入轉變為随后神识朝储物戒指之中探了过去電子註入。更有意唯一神器思的是,柵壓可以使石墨烯中的空穴迅速回流的PbS中去,所需要的僅僅是施加一⌒個正向的脈沖電壓,這樣通過柵壓的調節,就可以控制器件◥的回復時間,使器件的工作△速度更快。


                  可以看到石墨烯光探測存在傳感器件是現在科研領域的研究熱點,其獨特大势力的光學█、熱學和電學性質在改善←傳統光探測傳感器件的性能,發展新型光探測傳感你给我死器件方面具有很高的研究價值,值得深入探索。

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