近日，普渡大學(xué)、密西根大學(xué)和賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)聲稱，已解決阻礙石墨烯高性能光學(xué)器件的發(fā)展問題，石墨烯高性能光學(xué)器件可用于成像、顯示、傳感器和高速通信。

題為“由碳化硅襯底與微米量級石墨烯結(jié)合制成的光電晶體管的位置依賴和毫米范圍光電探測”的論文發(fā)表在《自然納米技術(shù)》雜志。該項(xiàng)目受到美國國家科學(xué)基金會(huì)和美國國土安全部的聯(lián)合資助，同時(shí)，它也受到國防威脅降低局的資助。

極薄碳層具有獨(dú)特的光學(xué)和電子性質(zhì)，石墨烯有希望制成高性能光電器件。然而，通常的石墨烯光電探測器僅有一小塊區(qū)域?qū)馐舾校@限制了其應(yīng)用。

普渡大學(xué)陳勇教授說：“為解決該問題，研究人員將石墨烯與相對較大的SiC襯底相結(jié)合，制成了石墨烯場效應(yīng)晶體管，光可以將其激活。”

高性能光電探測器可用于高速通信、超靈敏相機(jī)、傳感和可穿戴電子器件。基于石墨烯的晶體管陣列可以實(shí)現(xiàn)高分辨率成像和顯示。

密歇根大學(xué)核工程與放射科學(xué)Igor Jovanovic教授說：“大部分相機(jī)需要很多像素點(diǎn)，然而，我們的方法使得超靈敏相機(jī)成為可能。雖然它的像素點(diǎn)相對較少，但是分辨率很高。”

Jovanovic教授說：“在通常的石墨烯光電探測器中，光響應(yīng)僅發(fā)生在石墨烯附近的特定位置(該區(qū)域比器件尺寸小得多)。然而，對許多光電器件應(yīng)用而言，希望在更大的區(qū)域上獲得光響應(yīng)和位置靈敏度。”

新發(fā)現(xiàn)表明，該器件可在非局部區(qū)域?qū)饷舾校踔廉?dāng)光照在距石墨烯至少500?m 的碳化硅襯底上時(shí)也對光敏感。光響應(yīng)和光電流可增加差不多10倍，這取決于照射哪一部分材料。此外，光電晶體管新技術(shù)也是位置靈敏的，因此它可以確定光線到達(dá)的位置(對于成像應(yīng)用和探測器非常重要)。

這是首次證明在較大的碳化硅晶片上使用一小塊石墨烯實(shí)現(xiàn)非局部光電探測，因此光不必?fù)糁惺┍旧怼９饩€可以入射在一個(gè)更大的區(qū)域，幾乎是一毫米，之前沒有人做過相關(guān)研究。

將電壓施加在碳化硅背面和石墨烯之間，在碳化硅中建一個(gè)電場。入射光在碳化硅中產(chǎn)生光載流子。

該研究與開發(fā)石墨烯傳感器工作有關(guān)，石墨烯傳感器可用于檢測輻射。

陳勇教授說：“該論文與用于檢測光子的傳感器有關(guān)，但原理與其它輻射類型相同。我們正使用靈敏石墨烯晶體管探測光子產(chǎn)生的電場變化，在這種情況下，光與碳化硅襯底發(fā)生反應(yīng)。”

Jovanovic說：“光探測器可用于閃爍體，閃爍體可檢測輻射。電離輻射產(chǎn)生短暫的光照，閃爍體中的光電倍增管(約百年的老技術(shù))可檢測它。因此，開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)相同功能、基于半導(dǎo)體的先進(jìn)器件是非常有意思的事情。”

此外，研究人員也解釋了計(jì)算模型的其他發(fā)現(xiàn)。新型晶體管由普渡發(fā)現(xiàn)公園的比克納米技術(shù)中心制備。

未來研究將包括探索諸如閃爍體、天體物理學(xué)成像技術(shù)和高能輻射傳感器等工作。