石墨烯，因其較高的載流子遷移率以及寬波段的光譜吸收，有望在光電器件中得到廣泛應(yīng)用。然而，單層石墨烯僅具有2.3%的吸光率，并且光生載流子壽命極短，這些方面又限制了其在光電探測(cè)器中的應(yīng)用。近日，香港中文大學(xué)電子工程系科研人員與合作者通過設(shè)計(jì)基于石墨烯的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用金顆粒的表面等離增強(qiáng)作用，實(shí)現(xiàn)了基于石墨烯的短波紅外探測(cè)器。

紅外線波長(zhǎng)主要在0.75～1000um之間，介于微波與可見光之間，其在生產(chǎn)、環(huán)保、軍事、通訊、探測(cè)、醫(yī)療等方面有廣泛的應(yīng)用。一般而言，短波紅外 （Short-Wave Infrared , SWIR）的波長(zhǎng)主要在1.4~3μm范圍，而該波段探測(cè)所常用的半導(dǎo)體數(shù)量有限，急需新材料的開發(fā)與研制.

石墨烯，因其較高的載流子遷移率以及寬波段的光譜吸收，有望在光電器件中得到廣泛應(yīng)用。然而，單層石墨烯僅具有2.3%的吸光率，并且光生載流子壽命極短，這些方面又限制了其在光電探測(cè)器中的應(yīng)用。

近日，香港中文大學(xué)電子工程系科研人員與合作者通過設(shè)計(jì)基于石墨烯的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用金顆粒的表面等離增強(qiáng)作用，實(shí)現(xiàn)了基于石墨烯的短波紅外探測(cè)器（Short-Wave Infrared Photodetectors）。特別指出的是，相比于其他異質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入吸光材料，本研究的探測(cè)器結(jié)構(gòu)中石墨烯作為主要吸光材料，在1.55微米波段光源工作條件下具有83 A/W的高響應(yīng)率，以及600 nm的超快響應(yīng)速度。

香港中文大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用聚苯乙烯球陣列為模板，實(shí)現(xiàn)了在石墨烯表面構(gòu)建具有三角形狀的金納米顆粒陣列。重要的是，通過調(diào)節(jié)金納米顆粒的尺寸而調(diào)節(jié)其表面等離增強(qiáng)效果，從而可以實(shí)現(xiàn)將石墨烯在1.5微米波長(zhǎng)附近的光吸收提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。

與此同時(shí)，與傳統(tǒng)的石墨烯-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)不同（傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)內(nèi)半導(dǎo)體吸收入射光產(chǎn)生光生載流子），本研究的石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)中，石墨烯吸收紅外光從而貢獻(xiàn)光生載流子，而異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)可以俘獲石墨烯中的光生電子，這一機(jī)制可以有效地提高光生載流子的壽命，并實(shí)現(xiàn)快速的光響應(yīng)。結(jié)合以上兩種協(xié)同作用的機(jī)制，這一基于石墨烯的光電探測(cè)器在1.55微米波段光源的工作條件下，具有高響應(yīng)率以及超快響應(yīng)速度。

這一研究結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異性能的石墨烯光電探測(cè)器，同時(shí)該器件設(shè)計(jì)思路也有望在其他二維材料光電器件應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。該研究工作近期發(fā)表在ACS Nano?上，文章通訊作者為香港中文大學(xué)許建斌教授與李昕明博士，第一作者是香港中文大學(xué)博士研究生陳澤鋒。