成果简介
近红外和中红外光谱的光探测需要一种合适的吸收材料，既能满足各自的目标，又能达到理想的成本效益。石墨烯具有非凡的光电特性，可以为同时满足这两种光谱提供材料基础。零带隙提供了几乎不受波长影响的吸收，从而可在红外光谱中工作的光电探测器。然而，为了保持低噪声，需要一种快速零偏压运行的检测机制。本文，苏黎世联邦理工学院Stefan M. Koepfli等研究人员在《Nat Comm》期刊发表名为“Controlling photothermoelectric directional photocurrents in graphene with over 400 GHz bandwidth”的论文，研究展示了一种频率响应大于400GHz的自供电石墨烯光电探测器。该器件将超材料完美吸收器结构与石墨烯相结合，其中的非对称谐振器在石墨烯通道内诱导光热电定向光电流。该器件具有与光热电效应相关的准瞬时响应。典型的漂移/扩散时间优化并不需要高速响应。我们的研究结果表明，这些光热电定向光电流具有超越许多其他石墨烯光电探测器和大多数传统技术带宽的潜力。
图文导读
图1：超材料完美吸收石墨烯光电探测器概念。
图2：超材料光学模拟和表征。
图3：有源超材料诱导的 PTE-DC 器件的性能评估。
图4：偏压和栅极电压对光响应的影响。
图5：高速表征。
图6：Supercell 超材料完美吸收器和多路复用。
小结
综上所述，作者对石墨烯中光热电诱导的定向光电流以及如何利用这些定向光电流构建新一代高速光电探测器进行了深入探讨。该装置的自供电3dB带宽为420GHz，因此是世界上速度最快的光电探测器之一。在超材料完美吸收堆栈中结合石墨烯的结构成功地解决了光与石墨烯之间的微小相互作用，同时提供静电掺杂以诱导电流。结合钝化技术，该器件可以在较低的CMOS兼容栅极电压下稳定运行。这使我们能够研究器件的物理特性。不同的效应，如偏振、光导或 PTE 诱导的定向电流，在很大程度上取决于极化、栅极和偏置电压。通过巧妙地选择栅极电压和偏置电压，可以在不同的检测机制之间进行切换，甚至添加不同的检测机制。利用这一点，可以找到不同探测机制的各自频率响应，从而揭示出同一石墨烯器件中的不同高速光探测机制具有不同的带宽。
我们进一步利用了感应电流的方向性，引入了带有超小型超材料的四接触垫设计。这种设计突出了PTE-DC的灵活性。由于有两个垂直通道，因此可以直接访问解复用方案。此外，超材料设计的灵活性和石墨烯的吸收特性使其可以在很大的光谱范围内进行调谐。因此，该方案可在没有高速探测器的中红外光谱范围内工作。此外，它们还能灵活地提供内置功能，如偏振态检测、双波长检测以及在同一有源区域内的两个信号解复用，从而无需拆分信号或采用笨重的结构。此外，研究结果还清楚地表明，未来石墨烯光电探测器的研究不应仅仅关注吸收的优化，还必须依靠多学科的建模和设计方法。因此，石墨烯中光热电诱导的定向光电流是一种极好的机制，可进一步加深对材料、物理和器件设计的理解，有望制造出性能强大的高速光电探测器。
文献：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51599-w
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