三维石墨烯光电传感器研究取得重要进展

近日，清华大学微纳电子所教授刘泽文、北京交通大学电子信息工程学院邓涛副教授联合团队在国际著名学术期刊《纳米快报》（Nano Letters）上发表了题为《基于三维石墨烯场效应管的高性能光电传感器》（”Three-Dimensional Graphene Field-Effect Transistors as High Performance Photodetectors”）的研究论文。该论文利用自卷曲方法制造了一种微管式三维石墨烯场效应管（3D GFET），可用作光电传感器，实现对紫外光、可见光、中红外光、太赫兹波的超高灵敏度、超快探测。

基于三维石墨烯场效应管的高性能光电传感器示意图

光电传感器是光通信、成像、传感等许多领域的核心元件。石墨烯具有独特的零带隙结构、超快的载流子迁移率等优点，是制造高性能光电传感器的理想材料。传统的石墨烯光电传感器多采用平面二维（2D）GFET结构，具有超宽的带宽和超快的响应速度。但是，由于单层石墨烯对光的吸收率只有2.3%，导致2D GFET光电传感器的响应度很低（~6.3 mA/W）。虽然将石墨烯与光敏物质相结合可以大幅度提高光电传感器的响应度，但是带宽和响应速度会严重受损。

该研究提出了一种利用氮化硅应力层驱动2D GFET自卷曲为微管式3D GFET结构的方法，首次制造出了卷曲层数（1-5）和半径（30 μm-65 μm）精确可控的3D GFET器件阵列。这种3D GFET可用作光电传感器，工作波长范围从紫外光（325 nm）区域一直延伸至太赫兹（119 μm）区域，为已经报道的基于石墨烯材料的光电传感器带宽之最。同时，这种3D GFET兼具超高的响应度和超快的响应速度，在紫外光至可见光区域的响应度可达1 A/W以上，在太赫兹区域的响应度高达0.23 A/W，响应时间快至265 ns（纳秒）。该研究所提出的制造方法不仅为3D石墨烯光电器件与系统的实现铺平了道路，还可以推广至二硫化钼、黑磷等其他类石墨烯2D晶体材料。审稿人高度评价该研究成果，认为该研究对整个二维材料研究领域具有重要意义。

该论文的第一作者为清华大学微纳电子学系2015届毕业生、现北京交通大学电子信息工程学院邓涛副教授。清华大学微纳电子所刘泽文教授、北京交通大学电子信息工程学院邓涛副教授为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金和中央高校基本科研业务费项目的支持。