利用等离子体和p-n结增强石墨烯光电流

来源：两江科技评论

近日，普渡大学电子与计算机工程学院Alexandra Boltasseva团队通过空间重叠等离子体诱导光加热和p-n结实现了石墨烯光电流的增强。研究人员设计了一种包含间隙等离子体的金属、介电、纳米盘三层器件结构和一对分离门，同时实现了光学和电增强，并通过实验证明了光热电（PTE）效应在石墨烯光电流产生中的优势。这项技术可以为需要高响应率、宽操作带宽和小设备占用的光电探测器应用提供关键的解决方案。

该文章被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“Enhancing the graphene photocurrent using surface plasmons and a p-njunction”，Di Wang为第一作者，AlexandraBoltasseva和Vladimir M. Shalaev为通讯作者。

自首次成功地从大块石墨中分离出来后，石墨烯作为一种光电探测材料得到了广泛的研究。除了价格便宜、重量轻、结构紧密外，石墨烯还具有一系列光学和电学特征，使之成为一种独特的光电探测材料。具体来说，由于零带隙、不变的光学吸收、超高的载流子迁移率和热导率，石墨烯分别提供了无限的可探测波长范围、整个光谱上均匀的响应和超快的响应速度。尽管具有这些显著的特点，但由于单层石墨烯的低光学吸收，相对较低的响应率严重阻碍了石墨烯光电探测器的实际应用。

为了解决这个问题，人们研究了各种体系来增强光-石墨烯相互作用，从而提高其响应率。其中，量子点加载石墨烯光电晶体管响应增益最高，但由于量子点放电过程缓慢，较强的增益是以工作速度降低为代价的；光子波导也被用来提高响应率，然而，因为需要长波导增加光子-石墨烯相互作用长度，这样的结构通常有大而复杂的设备足迹；第三种增强石墨烯光响应率的方法是利用等离子体结构，它依赖于金属纳米结构中高度受限的光诱导表面等离子体振荡，以帮助石墨烯的光吸收。这种系统具有相对简单的器件结构，且不会降低石墨烯光电探测器的运行速度。不过，大多数提出的等离子体增强方案仅利用光学增强，而忽略了电结控制。

近期，研究人员提出了一种等离子体增强石墨烯光电探测器的系统，同时利用光学和电气控制。与之前提出的设计方案相比，该系统具有更优越的性能。

根据早期的研究，提高石墨烯光电探测器响应率的关键因素是增强PTE效应，石墨烯光探测过程中涉及的两种能量转换机制是光到热和热到电的转换。因此，在该项工作中，研究人员使用间隙等离子体结构来吸收入射光的主要部分，引起局部加热，并使用分裂门在石墨烯中产生一个p-n结，同时提高了两种转换效率，增加了PTE电流的产生。

为了更好地说明光加热区域中心和p-n结之间的空间重叠对最大石墨烯光电流产生的重要性，只考虑一维方向，如图1所示，最后一列每条曲线下的面积就是PTE电流。根据光加热和电结增强的情况，该图分四种情形，第一种情况代表最原始的石墨烯光电探测器，仅由金属触点和石墨烯组成，既没有加热也没有电结增强。由于掺杂水平的差异，被积函数的正负贡献不等，导致PTE电流不为零。过去的一些研究工作使用了强电结控制而没有等离子体增强的石墨烯PTE效应，属于第二种情况，这里在温度梯度的中心引入了一个p-n结，保证了对两边的PTE电流的正贡献。而等离子体结构有助于将光转化为局部加热，大多数之前证明过的等离子体增强石墨烯光电探测器属于情况三。显然，同时具有光加热和电结增强的第四种情况产生最强的光电流，即该研究设计的主要部分。

图1 石墨烯PTE电流的产生机理

图2a为所述装置及其工作原理的示意图。一对分离门之间有一个微小的间隙，以保证两个门之间的电隔离，从而可以独立地控制两边的掺杂水平，进而操纵两边的塞贝克系数，并通过电选通产生不同的结型。图2b显示了设计的横断面视图，并说明了分裂门和间隙等离子体结构如何同时作用。图2c是没有石墨烯薄片的间隙等离子体结构的近景示意图。不同样品的纳米盘半径不同，改变吸收光谱，从而控制不同波长的响应率。图2d展示了在三个不同区域测量的三个光谱。

该研究表明CVD石墨烯可达到最佳响应，有望大规模生产和商业化。该设计在实现石墨烯构建超薄、轻量和超快光电探测器的潜力方面代表一个飞跃。

图2 石墨烯光电探测器设计与光学表征