发光学报 | 石墨烯：引领光电器件发展的新“舵手”

基于将光信号转化为电信号的探测器一直以来在众多领域有着广泛的应用，然而随着对技术需求的进一步发展，传统光电器件无论在材料的选择还是工作机制的选取都受到巨大挑战，所以寻求新材料和设计新原理器件迫在眉睫。

近日，天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心 马雷 教授团队对近年来不同响应机制的石墨烯基光电器件的研究进展进行了总结，介绍了基于石墨烯光伏效应、光辐射热效应、光热电效应、等离子体辅助、光栅控效应和光电导效应的发展和应用前景，讨论了石墨烯基光电器件未来发展所面临的挑战。

该文章以“不同响应机制下的石墨烯基光电探测器研究进展”为题发表于发光学报（EI、Scopus收录，中文核心期刊）。

一、引言  

石墨烯凭借极高的载流子迁移率（高达 15000 cm²·V^-1·s^-1）在光电探测领域相比于其他材料能够产生更强的电学信号以及具有更快的光电转化率。此外，由于石墨烯独特的零带隙结构使得通过光激发电子从价带跃迁到导带所需的能量几乎为零，绝大部分波段的入射光都能在石墨烯中产生一定强度的光电流，进而可以将石墨烯基光电探测器探测波段从紫外推广至太赫兹波段。

尽管石墨烯光电探测器具有以上优势，但在实际研发和应用中受到了器件本身性能指标不足和生产工艺高成本等问题。其根本原因在于存在多种光响应机制。因此通过深入了解石墨烯光电探测器不同响应机制的工作原理以及目前发展有助于制备出更高性能指标的光电器件从而更好地适应于不同领域。

二、不同响应机制下的石墨烯基光电探测器

（1）基于光热电效应下的石墨烯基光电探测器

光热电效应可拆分为光热转换和热电效应。如图1a所示，入射光照射在器件的一侧，器件吸收这一侧的光子后升温与另外一侧形成温差 (ΔT) 从而驱动电荷载流子从热端到冷端发生定向扩散，形成电位差(ΔU)。基于光热电效应下的石墨烯基光电探测器要求不同区域具有不同的塞贝克系数来产生所需要的电势差。研究者们通过增加石墨烯沟道的长度来实现对热载流子晶格冷却梯度的构建，从而增大了热载流子和晶格之间的温差，实现了响应度的大幅提高（图2c）。

（2）基于光伏效应的石墨烯基光电探测器

光伏效应是指一种材料在光照下产生电流或者电压的过程。石墨烯具有静电掺杂后的可调性、大电荷载流子浓度、低耗散率、高迁移率以及可将电磁能量限制在前所未有的小体积内等优点。因此相较于其他二维材料，石墨烯基光电探测器在光伏应用方面具有较大的优势（图2a）。

（3）基于光辐射热效应下的石墨烯基光电探测器

光辐射热效应是指由入射光子产生的热量导致沟道电导发生变化的现象。基于光辐射热效应下的石墨烯基光电探测器的优势在于响应波段宽、高灵敏度及低等效噪声功率，这得益于其小的热容和弱电子-声子耦合作用（图2b）。

（4）基于等离子体辅助探测

等离子体技术的应用在这里指光子和电子耦合时，电磁波与等离子体材料、介电介质界面之间发生相互作用，从而产生表面等离子体激元并引发的表面等离子体共振。在等离子波辅助机制主导下的石墨烯基光电探测器可探测到太赫兹波段的入射光，这是其独特的优势（图2d）。基于等离子波辅助机制的石墨烯基光电探测器不仅在太赫兹光探测领域发挥重要的作用，还可用于对谷电子学、石墨烯等离子体和 Moiré 超晶格方向的理论探究。

（5）基于光栅控效应

光栅控效应是指由于空穴或者电子被局域态所束缚时，产生一个额外的电场而表现出的和栅极电压一样对材料电导（电阻）较强的调控效应（图1b）。当前基于光栅控效应主导的光电探测器材料主要有 ZnO、Zn₃P₂、GaS 等，这些材料相比于石墨烯而言，具有可探测波段范围较窄且多仅限于紫外和可见光波段的问题，而该类石墨烯型器件则具有从可见光波段至中红外波段的较大响应范围，并且由于石墨烯能与量子点等其他二维材料进行有效的耦合可以实现响应度大幅度提升等特点和优势（图2e）。

（6）基于光电导效应

光电导效应是通过外加偏压使电子-空穴对分离（图1c）。由于光电导效应多发生在金属接触区域外，因此在缺少异质结内置电场的条件下只能通过石墨烯改性来实现局域内置电场的调控，从而达到对光生电子-空穴对分离的目的（图2f）。

图1：不同响应机制下石墨烯基光电探测器工作原理：(a) 基于光热电效应；(b) 基于光栅控效应；(c) 基于光电导效应。

图2：根据不同响应机制制备的石墨烯基光电探测器：(a) 基于光伏效应；(b) 基于光辐射热效应；(c) 基于光热电效应；(d) 基于等离子体辅助探测；(e) 基于光栅控效应；(f) 基于光电导效应。

三、问题与展望

通过六种响应机制对石墨烯基光电探测器性能影响方面的分析和展望，可以看出在实际开发过程中利用好这些机制仍存在一些需要解决的问题。

（1）光伏效应下更高精度需求。基于光伏效应的石墨烯光电探测器由于其响应机制简单，制备工艺和成本较低，可广泛应用于一些造价成本不高、精度要求较低以及有大规模制备需求的器件中。但无法满足精度更高需求的进一步开发和应用。

（2）等离子体机制下可探测波段。目前制备的等离子体辅助机制下石墨烯光电探测器尽管能探测到远红外、太赫兹波段的入射光，且响应度可维持在一个相对较高的水平，但是其可探测波段单一，且只能在石墨烯表面周期性结构的共振波段工作，因此不适合应用于宽波段探测。并且器件加工成本高， 限制了其在工业制备领域的发展。

（3）光栅控效应下响应速度和工作时间。通常采用掺杂的方法来提高光栅控效应下石墨烯光电探测器的响应度，但掺杂会造成响应速度的降低并且由于每次掺杂的量子点数目有限，导致基于该效应下的石墨烯光电探测器无法长时间工作。

（4）基于光热电效应的器件加工。光热电效应下的石墨烯光电探测器由于当前研究多从晶格热梯度产生温差进而产生电势差的角度入手来提升响应度，因此基于该机理来提升器件性能的方法对加工工艺提出了更高的要求。

虽然还面临许多挑战，但众多研究已经证明基于上述六种机制的石墨烯光电探测器在电子、机械装备、电化学和生物等领域具有巨大的应用前景。因此对其响应机制进行进一步理论探究对光电器件和应用领域的发展具有非常重要的借鉴意义。

作者介绍

马雷教授，博士生导师，2015 年底入职天津大学，组建天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心。中心拥有三个研究方向：外延石墨烯电子学；团簇物理与化学及高端谱仪研发；功能性低维材料化学器件及柔性可穿戴电子学。现已自主设计建成中性纳米团簇分子束装置，超高精度质谱联用的角分辨光电子能谱，桌面型静电储存环装置。回国后以通讯作者在 Applied Catalysis B: Environmental、Solar RRL、the Journal of Physical Chemistry A、Physical Chemistry Chemical Physics和Review of Scientific Instruments 等杂志发表论文多篇。

E-mail: lei.ma@tju.edu.cn

天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心网页：http://ticnn.tju.edu.cn/

论文信息

张翼鹏，王雪，纪佩璇，赵健，张凯敏，李睿，于凯丞，田昊，马雷*. 不同响应机制下的石墨烯基光电探测器研究进展[J]. 发光学报, 2022, 43(4):553-575.

https://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210359