超灵敏石墨烯-硅异质结型光电探测器的制造和性能调控

Graphene can be used as ultrafast photodetectors in the near-infrared and infrared range. However, only absorbing 2.3 % over the extensive spectrum causes the weak selection for light wavelength and low photocurrent, which suggests that it is difficult to use in real application. In this project, firstly, we present that fabrication of Au,Ag nandot and nanorod arrays on silicon substrates using porous alumina template to design graphene-silicon heterostructural photodetectors.We introduce the optical antennas into this kind of devices to obtain photodetectors with high wavelength selection and high sensitivity.Secondly, nanofabrication of nanotaper,nanospar and nanohole arrays on silicon substrates using combining self-assembled monolayer PS sphere, porous alumina template, and deeply ion eching (ICP)and thin film fabrication techniques to design high-performance graphene-silicon based photodetectors;Finally, synergistic tuning of metal nanostructures, silicon nanostructures and PEDOT will be applied to design graphene-based photodetectors. Based on the above-mentioned approaches, it is feasible to develop control nanofabrication and tuning properties of graphene-silicon based photodetectors.

石墨烯能被制作成超快光电探测器，在近红外到红外波段具有潜在应用价值。但是它在广泛的光波长范围吸收率仅约为2.3%，波长选择性差，灵敏度不高，难以满足实际应用需要。因此，制作多波段高波长选择性、高灵敏度型石墨烯-硅光电探测器显得非常重要。本项目在我们对石墨烯化学气相沉积法制备、有序纳米模板制备及对光电探测器件深入研究的基础上，拟开展如下研究：首先，提出采用氧化铝模板在硅表面纳米制造出Au、Ag纳米点和纳米棒，引入光学天线的概念构建石墨烯-硅光电探测器件；其次，提出使用单层PS小球自组装模板、氧化铝模板与深度离子刻蚀ICP及真空镀膜技术相结合，在硅表面制造出纳米锥、纳米柱和纳米孔洞结构阵列，构建相应石墨烯-硅光电探测器件；最后，将金属纳米结构、微硅结构和聚合物PEDOT协同设计于石墨烯-硅光电探测器。本项目的研究成果，将为开发出多波段高波长选择性和高灵敏度的石墨烯-硅光电探测器奠定良好基础。

将透明导电的石墨烯和高光吸收特性的硅结合有望开发出高性能的光电探测器。基于此，本项目开展了以下几个方面的重要研究内容：（1）石墨烯-硅光电探测器的纳米制造基础；（2）石墨烯-硅光电探测器的波长调控和响应率提高技术；（3）石墨烯-硅光电探测器性能调控机理探索。所取得的重要结果如下：（1）通过在石墨烯 –硅接触处形成肖特基势垒，构造肖特基光电二极管，这些结果为集成碳电子结构和传统半导体提供了新的机会；（2）使用厚度从30至160 nm的PEDTO：PSS中间层构建了石墨烯-PEDOT-硅光电探测器，该器件具有显着增强的开路电压和效率以及具有0.5 V的低电压操作特性；（3）利用PS小球结合等离子体刻蚀技术在硅片表面进行纳米加工形成200 nm高度的硅纳米柱状阵列和300 nm高度的硅纳米锥形阵列，这些结构具有增强了的光吸收性能，纳米柱和纳米锥型器件分别具有1.5 和1.8 V电压操作特性；（4）在钼箔基底上制备了厚度在2–7 nm的硒化钼薄膜，构筑了少数层MoSe2–Si异质结器件，获得的器件的光响应度高达1.26 A/W，明显高于单层MoSe2器件的光响应度（13 mA/W）。表明本项目组提出的方法有望为开发超敏探测器件提供技术支持。所获得的关键数据及其科学意义如下: 在该项目的支持下，研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition、Journal of Materials Chemistry A、Small、Nanoscale、The Journal of Physical Chemistry C、《化学进展》等国内外著名学术期刊上，共计发表SCI学术论文11篇。申请专利3项，已获得授权1项。培养研究生8名，已毕业2名。本项目的研究成果，将为开发出多波段高波长选择性和高灵敏度的石墨烯-硅光电探测器奠定良好基础。