增强型波长可调石墨烯光电探测理论与技术

Graphene photo-detector (GPD) as a newly emerging research topic, because of their feasible integration to conventional silicon base technology, no optical absorption confinement and ultrafast optoelectronics response, has received great amount of attentions world-wide. But the photoelectric conversion efficiency of GPD is quite low because of its small optical absorbance, which is major issue to confine their development in the future. In this project, we will propose and apply a novel composite metallic nanostructure to the graphene based photo-detector. The innovations of our proposal have been listed as followed. 1. Design and optimize the quasi-periodic anti-symmetric metallic electrodes to support SPP under light excitation. Optical response with different frequencies can be achieved for the photo-detector by varying the parameters of the metallic electrodes. 2. Modify the optical field distribution around the metallic nanostructures by taking advantage of surface plasmon polarition (SPP), localized surface plasmon (LSP) and their interaction. Because of the effective confinement of the optical field on grapheme resulting in the generation of photocarriers, the photoelectric conversion efficiency of our proposed device would be greatly enhanced. Therefore, this project will achieve the graphene photodetector to overcome their major confinement of low photo-electronic conversion efficiency.

石墨烯光电探测器易于硅基集成，没有传统半导体探测器的长波限制，且具有超快光电转化速率等特性，是一个新兴研究领域。但由于石墨烯光吸收率较弱，光电转化效率偏低，严重制约了石墨烯光电探测技术应用。本项目拟提出将一种新型金属纳米复合结构应用到石墨烯光电探测器的设计中，得到增强型波长可调的石墨烯光电探测器。研究内容和创新点：（1）设计和优化准周期性的非对称金属复合电极，并在光场激发下产生表面等离子体。通过改变复合电极的结构参数，实现对不同频率的光响应，从而得到具有波长选择性的光电探测器；（2）利用金属纳米结构电极产生的表面等离子、局域表面等离子以及它们的相互作用，改变入射光的场强分布，有效地将入射光局域到石墨烯附近，并在金属电极和石墨烯接触的位置分离出光生载流子，从而极大地提高了探测器的光电转化效率。本项目的研究成果有望解决制约石墨烯光电探测器发展的低光电转化效率这一关键问题。

石墨烯光电探测器易于硅基集成，没有传统半导体探测器的长波限制，且具有超快光电转化速率等特性，是一个新兴研究领域。本项目着眼于石墨烯对光吸收弱的缺点，将基于化学溶液方法易获得金属纳米材料和半导体量子点与石墨烯光电探测器结合，开展新型光电探测器的理论及实验研究。我们首先理论研究了金属纳米十面体/二氧化硅薄膜/金薄膜的纳米复合结构的光学性质，研究表明，当金属纳米颗粒结构为各向异性时，复合结构表现出具有可调谐的双共振效应，其中金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振可以通过改变纳米颗粒的大小来调节，而纳米颗粒与金薄膜之间的耦合共振则可以通过改变中间二氧化硅层的厚度来调节，其消光峰的波长会随着厚度的减小而红移，并且该局域场处在金属纳米颗粒和金属薄膜之间。基于该结构，我们可以将石墨烯层置于二氧化硅的上表面，从而获得具有波长范围可调且吸收增强的石墨烯光电探测器。其次，我们将半导体量子点放置于石墨烯器件的上表面，将量子点光吸收产生的激子传递至石墨烯，从而产生电信号，该结构可以增强探测器的光电转化效率。我们实验研究了金属合金纳米棒和量子点复合结构的光致发光特性，结果表明，相比于金属纳米棒，金属纳米壳层结构能抑制量子点的辐射复合，该结果对我们的实验具有一定的参考价值。最后，我们还理论研究了一种新型二维材料（硅烯），研究了由它们组成的结在外加电场和光场作用下的电学特性，结果表明，在外加光场的作用下，它们的电导特性随光场的强度变化，该结果有利于我们开辟基于二维材料的光电子器件。这些研究对我们进一步探索二维材料在光电子器件中的应用起到积极的推动作用。