中国科学院半导体研究所、中国科学院大学材料科学与光电技术学院–一种具有正负光电流的混合石墨烯-PbS量子点光电探测器

不同的石墨烯光电探测器可能有不同的光响应机制，一般来说，大多数石墨烯光电探测器倾向于只产生正或负的光电流。在这里，我们展示了一种基于化学气相沉积(CVD)和PbS量子点(QDs)生长的石墨烯的光电探测器，具有正负光电流。在635 nm激光照射下，器件在低激光功率密度(0.17 μW)下产生了9 μA的正光电流，由于具有高增益机制，器件的响应度可达39.58 A /W。然而，在高激光功率密度(9.59 μW)时，由于热散射，该器件表现出完全相反的特性。产生20 μA的负光电流，器件响应度为10.29 A/W。该装置表现出两种响应机制的共存。探索石墨烯中正负光电流的机制有助于研究石墨烯载流子的调控，也可以为石墨烯基忆阻器件提供可能的研究方向。

图1. 量子点改性石墨烯器件结构示意图及相关材料表征。(a)量子点改性石墨烯探测器，D、S电极与石墨烯直接形成欧姆接触，背栅电极为n型重掺杂硅。(b)设备的扫描电子显微镜(SEM)图像。(c)石墨烯在SiO₂/Si衬底上的拉曼光谱。(d)通过热注入在170℃下生长的量子点的光谱吸收。

图2. PbS -石墨烯器件的电气和光学测试。(a) I-V特性(b) PbS量子点薄膜组装前后的传输曲线。(c) (d) 635 nm和1550 nm激光在不同功率密度下光电流随偏置的变化。(e)光电流对激光功率照射的依赖性。

图3. 在栅极电压调节下，器件的通道电阻和光电流的变化，以及器件中的响应机制示意图。(a)和(b)电阻和光电流与器件的背栅电压的函数。(c)和(d)器件在正负门电压下的光电效应。(e)器件的热散射效应。

图4. 设备的响应时间。(a)， (b)在高功率密度下，由于热散射，器件的响应时间非常大。(c)， (d)在低功率密度下，器件的响应时间主要由载流子寿命决定，响应时间较小。

相关研究成果由中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室、中国科学院大学材料科学与光电技术学院Run Chen等人于2022年发表在Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications (https://doi.org/10.1016/j.photonics.2022.101083)上。原文：A hybrid graphene-PbS quantum dots photodetector with positive and negative photocurrents。