导读
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研究背景 「石墨烯」,是一种非常典型的二维材料。从结构上来讲,石墨烯是由一层碳原子组成,具有蜂巢结构的单层薄片。正是由于特殊的结构,石墨烯在导电、导热、强度、稳定性等方面,都表现出极其优秀的特性,应用领域十分广泛。 (图片来源于: 普渡大学) 然而,对于光电器件来说,石墨烯的单层碳原子结构的价值也十分巨大。所以,研究人员一直都在努力尝试开发基于石墨烯的光电探测器。在许多的工业应用中,光电探测器都起到了至关重要的作用。 可是,目前开发基于石墨烯的高灵敏度的光电探测器存在以下的瓶颈:
对于这个瓶颈,我们可以参考研究论文作者之一 Jovanovic 教授的说法:
创新探索 介绍这项创新之前,我们还是先了解一下相关的论文和研究团队。 (图片来源于: Erin Easterling/普渡大学) 研究论文发表于这周的《自然纳米技术》杂志。研究的主要参与者来自于普渡大学、密歇根州立大学和宾夕法尼亚州立大学。 论文作者有普渡大学物理学、天文学和计算机工程学的教授,普渡量子中心的主任 Yong Chen、密歇根州立大学核能源工程和放射科学的教授 Igor Jovanovic、前普渡大学博士研究助理 Biddut K. Sarker、前宾夕法尼亚州立大学研究生 Edward Cazalas、普渡大学研究生 Ting-Fung Chung、前普渡大学研究生 Isaac Childres。 根据陈(音译)教授的说法,他们的基本方案如下:
(图片来源于: 普渡大学) 关键技术 对于这项创新的关键技术点,陈教授说:
在碳化硅和石墨烯的背面之间,会有施加一个电压,从而在碳化硅中建立一个电场。入射光线在碳化硅中产生「光生载流子」。 (图片来源于: Erin Easterling/普渡大学) Jovanovic 教授解释道:
这种电场的变化,也导致了石墨烯本身的导电性的变化。这种方法被称为「场效应光电探测」。 碳化硅是“无掺杂的”,这点和基于硅晶体管传统的半导体不同。这种“无掺杂”使得材料成为一种绝缘体,除非它暴露于光线的情况下,才使得它变得部分导电,改变石墨烯上的电场。 创新价值 高性能光电探测器,对于高速通信、天体物理学使用的超敏感摄像头、传感、可穿戴电子设备等应用来说,具有十分高的价值。基于石墨烯的晶体管阵列,会带来高分辨率的成像和显示。 (图片来源于: 普渡大学) 这项研究中,当碳化硅在离石墨烯很远的地方被光线照射时,该器件也会对于光线作出响应。根据材料被照射的部分,性能最高可以提升10倍。这种新的光电晶体管也是「位置灵敏的」,也就是说,它可以判断光线照射的位置,这对于成像和探测器的应用来说十分重要。 另外,Igor Jovanovic 教授说:
应用价值 这项研究有利于开发出基于石墨烯的新型传感器,这种传感器可用于检测辐射。陈教授说:
光线探测器可以用于一种称为闪烁计数器的设备,它被用于检测辐射。电离辐射会产生短暂的闪光,在闪烁计数器中,它会被一种称为「光电倍增管」的器件检测到,这已经是上个世纪的老技术了。 Jovanovic 教授说:
未来展望 目前,研究人员也通过数学模型解释了这项研究成果。晶体管在普度大学探索公园的Birck 纳米技术研究中心制造。 未来的研究也将包括拓展例如闪烁计数器、天体物理成像技术、高能辐射传感器等方面的应用。 参考资料 【1】http://www./newsroom/releases/2017/Q2/graphene-phototransistor-promising-for-optical-technologies.html 【2】https://www./nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2017.46.html 需要进一步探讨交流的朋友,请直接联系微信:JohnZh1984,或者微信关注公众号:IntelligentThings。 |
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