十餘年來，二維材料在光電子領域受到了廣泛的研究。石墨烯以其獨特的零帶隙、可調控、高遷移率和易大面積製備等優點，成為二維材料的研究重點。由於單層石墨烯的光吸收率較低（~2.3%），為了提高探測器的光響應，通常設計輔助吸收材料或吸收結構增強對探測光的吸收率。在石墨烯表面引入陷阱來提高響應度也是一種常用的策略，這種方法提高了器件的光電導增益，獲得了更高的光電效率，比如石墨烯表面製作量子點薄膜材料可以實現很高的光響應（109A/W），然而高的器件增益顯著延長探測器響應時間。將石墨烯與其他二維材料或有機材料薄膜複合，可以調節探測器增益和響應速度之間的均衡，但是很難製作出探測單元之間高度均勻的探測陣列。因此，製備易陣列集成的響應高速度快的石墨烯光電探測器，是大面積石墨烯薄膜應用的重要突破方向。
近日，電子科技大學王軍教授、蔣亞東教授團隊報道了利用普通半導體工藝（蒸鍍、光刻和反應離子刻蝕方法）實現了具有雙向響應的高性能全碳光電探測器及其陣列。作者巧妙的設計出兩層石墨烯夾一層C60（富勒烯）的垂直三明治結構，不僅提供了一種基於石墨烯的全碳材料堆疊和刻蝕的方法，並且大幅提高了全碳材料的光響應度。垂直石墨烯/C60/石墨烯探測器在405nm的光入射時，響應率為3.4 x 105 A/W（光強33μW），響應時間為23ms，在1550nm的光入射時仍有110 A/W。另外，隨入射光波長變化探測器光電流出現雙向響應（正、負電阻變化）。光電流的極性和大小還可以通過改變Vg（柵極電壓）來調控。基於柵壓調控，文章探討了石墨烯/C60/石墨烯垂直異質結器件在不同波長下響應的動態過程，並分析了正負響應的電荷轉移機理。此外，本文使用光刻和反應離子刻蝕方法對垂直石墨烯/C60/石墨烯異質結進行了圖案化，在1 cm×1 cm的範圍內製作了250×250個石墨烯/C60/石墨烯探測單元（8μm×4μm）陣列，為石墨烯光電探測器的陣列化應用提供了重要思路。
相關工作在線發表在Carbon（DOI:10.1016/j.carbon.2020.02.030）。該研究成果的第一作者是電子科技大學博士研究生潘銳，通訊作者為王軍教授。該工作得到了國家自然科學基金、優秀青年科學基金等資助。
閱讀更多 石墨烯聯盟 的文章
