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石墨烯是开发高速、宽波长范围光电探测器的理想材料。但是，由于石墨烯两端两个电极的每一个石墨烯/电极界面上的光电压极性相反，它们在宏观光照射到光电探测器时被抵消了。在本研究中，我们提出了两种基于石墨烯的光电探测器，它们具有不同的非对称器件结构，可以抑制两电极界面上的光电压抵消。其中一种光电探测器有一个局部荫罩，只有石墨烯/电极界面的一侧被金属荫罩遮蔽。另一种具有不同形状的电极，通过使用梳状电极，石墨烯/电极界面的接触面积不同。通过扫描石墨烯光电探测器周围的聚焦光，我们测量了光探测的位置依赖性，由于两个光电探测器的非对称结构，可以得到不对称的光电电压映射。此外，我们还证明了通过抑制光电压抵消，光电探测器在可见光、近红外光和中红外光区域的宏观光探测。这些非对称结构的石墨烯基光电探测器适用于可见光、近红外光和中红外光区域宽波段的宏观光电探测器。
图1. 在其中一个石墨烯/电极界面上形成Ni掩膜的石墨烯基光电探测器的(a)原理图、(b)光学显微镜图像、(c)电流-电压特性曲线。梳状电极的石墨烯基光电探测器的(d)原理图、(e)光学显微镜图像、(f)电流-电压特性曲线。
图2. (a)探测可见光(690 nm)及NIR光(1310 nm和1530 nm)的测量装置示意图。利用步进电机工作台移动样品，改变激光光斑的位置。利用分光镜检测反射光，并通过摄像机调节照射位置。输出信号由低噪声前置放大器放大，并由锁相放大器和频谱分析仪测量。(b) MIR光(4.6μm)测量装置示意图。将可见光引入同一光路，调整MIR光的照射位置。输出信号由低噪声前置放大器放大，并由锁相放大器测量。
图3. Ni掩膜石墨烯基光电探测器原理图及光探测机理。
图4. Ni掩模石墨烯基光电探测器在(a)可见光(690 nm),70μW、和(b)NIR光(1310 nm),30μW时的光电压图。
图5. 在不同的激光功率下，用光谱分析仪测量了宏观(a)可见光(690 nm)和(b)NIR光(1530 nm)光辐照下，Ni掩模石墨烯光探测器的调制光探测(6049 Hz)。用Ni掩模石墨烯光电探测器在211 Hz时的锁相放大器测量的 (c)可见光(690 nm)和(d) NIR(1530 nm)的光电压光强相关性。红色的线显示线性拟合的结果。
图6. 梳状电极石墨烯光电探测器的光电检测原理图。
图7. 在(a)可见光(690 nm), 70μW和(b)近红外(1310 nm), 30μW照射下，梳状电极石墨烯光电探测器的光电压映射。
图8. 利用光谱分析仪测量的宏观(a)可见光(690 nm)和(b)NIR(1530 nm)光照射下，梳状电极石墨烯光探测器的调制光检测(6049 Hz)。梳状电极的石墨烯光电探测器的(c)可见光(690 nm)和(d) NIR (1530 nm)的光电压光强相关性。红色的线显示线性拟合的结果。
图9. (a) Ni掩模和(b)梳状电极的石墨烯光电探测器的宏观MIR光电压光强相关性。红色的线显示线性拟合的结果。 相关研究成果由日本庆应义塾大学应用物理及物理信息学系Kenta Shimomura等人于2021年发表在Carbon Trends (https:///10.1016/j.cartre.2021.100100)上。原文：Graphene photodetectors with asymmetric device structures on silicon chips。 |
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