梳理–提升石墨烯器件性能的方法-石墨烯产业专题

梳理–提升石墨烯器件性能的方法

时间:2019-02-12 作者: 来源:材料牛（石墨烯）

自从2004年Andre Geim等人用机械剥离的方法获得石墨烯以来，石墨烯已经被广泛地应用在光电器件。石墨烯是一种零带隙结构的半金属，能实现从紫外到太赫兹波段的宽频谱吸收。其电子可以用有效质量为零的狄拉克方程来描述，呈现出狄拉克费米子的的行为。与传统半导体抛物线型色散关系不同，石墨烯中狄拉克点附近低能载流子的能量与波矢呈线性色散关系，因此石墨烯表现出许多独特的光电性能，如半整数量子霍尔效应等。此外石墨烯的载流子迁移率能达到2105 cm2 V-1 s-1。本文主要介绍提升石墨烯光电器件的各种方法。

1.波导增强的石墨烯红外集成光电子器件

器件集成化是人们所追求的，利用波导增强石墨烯等二维材料光吸收效率从而实现高性能集成光电器件的研究工作也多有报导[1]，但是大部分研究工作都是先完成波导制备再转移石墨烯，这是因为传统介质膜沉积方法通常会对破坏石墨烯在内的二维材料结构并造成性能下降。2017年Lin等人[2]在nature photonics上报导了与传统工艺不同的制备器件的方法（如图1a所示）：先在衬底上转移石墨烯然后在石墨烯上沉积硫属化物玻璃（ChG），之后再通过刻蚀形成波导，该结构中的石墨烯能实现更高效的光吸收。ChG是由硫、硒或碲三种元素组成的非晶化合物，是一种多功能材料，不仅是低损耗光导介质（对中红外-可见光波段而言是透明的），也可以作为栅控材料实现对费米能级的调控，还可以作为钝化材料提升器件的稳定性。由于ChG薄膜沉积过程中整个基片接近室温，不会对石墨烯的结构完整性以及光电性能产生破坏。因此ChG波导增强的石墨烯光电探测器在中红外有很高的光电响应，对2.03 um入射光的响应度能达到250 mA W-1。此外通过不同器件结构设计，ChG/石墨烯还能实现超宽带片上起偏器、超低功耗热光调制器以及对中红外光进行电吸收调制（如图1c）。而且该方法适用于各种二维材料，该研究对二维材料在光子芯片应用将起到极大推动作用。

图1 ChG波导增强的石墨烯光电器件。