徐杨浙江大学 浙江大学在石墨烯/硅高速光电探测及传感等方面取得重要进展
石墨烯(Graphene)做为自然界最薄的材料,自从 2004 年被K.S.Novoselov 和 A.K.Geim 发现以来, 得到了前所未有的关注, 两人并因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。 石墨烯是由单层碳原子密堆成二维蜂窝状晶格结构的一种新型碳材料,具有极高的载流子迁移率, 超高的电子运动速度, 良好的透光率等优点;远优于目前常用的材料,使得石墨烯在高速光电探测等领域展示出巨大的应用价值。 由石墨烯与硅组成的新型光电探测器, 具有探测波段广、响应度高、响应速度快、与硅工艺兼容和价格低廉等众多优势,是极具潜力的光电探测器。然而在石墨烯等的应用中,如何改善器件的接触电阻、改进材料的结构以提高器件工作性能,成为研究的一个重要方向,也是石墨烯电子器件能否得到实际应用的关键。
石墨烯等二维材料在未来微纳电子器件的应用中,与传统三维材料的接触不可避免。这种情况下,大的接触电阻往往会制约器件的性能。特别是在用金属做电极时,大的接触电阻使得材料本身优越的高频电学特性不能被充分发挥。为解决这一问题,浙江大学徐杨老师的研究小组,在浙大信电学院李尔平、尹文言、杨建义、骆季奎、程志渊等多位教授的指导下,选择关注于二维/三维材料体系中的接触这一难题,通过研究金属、石墨烯、二维半导体及传统半导体之间的接触电阻,分析其物理机制及改进方法,为提升基于石墨烯等二维材料的电子器件性能提供了思路。该成果最近发表在期刊ACS Nano (IF=13.3)。
将零维的量子点与二维的石墨烯结合起来,二者之间的电荷转移可以调节石墨烯的功函,同时量子点薄层也可以起到减少光学反射的作用。利用这一思路,该研究团队与浙大硅材料国家重点实验室合作,在皮孝东和杨德仁教授的指导下,实现了超高响应度、超快响应时间的量子点/石墨烯/硅光电探测器。 量子点通过旋涂的方式覆盖到石墨烯/硅肖特基结的表面,工艺简单可控,光电流和时间响应测试表明,该探测器的多项性能达到文献报道同类型器件的优异水平。值得指出的是,基于量子点与石墨烯耦合的硅基光电二极管的稳定性优异、器件工艺重复性好。目前的研究结果对石墨烯/硅高性能光电探测器的发展具有推进作用。此项工作在解决器件高速测试难题过程中,还得到了陈红胜、章献民等老师及其团队成员的特别帮助。研究结果最近发表在期刊Advanced Materials (IF=18.9)。
图1 高性能量子点/石墨烯/硅光电探测器结构(左);探测器载流子输运机理与接触电阻示意图(右)。
图2 二维材料的不同种类,合成方法与其三维结构。
对于石墨烯等二维材料,单一的结构不足以满足更广泛领域的应用需求,通过可控制的组装技术将之组装成更复杂的层状材料可以解决这一不足。该研究团队在浙大高超教授和UCLA段襄锋教授的指导下,并和浙大柔性电子联盟的陈伟球、谢涛、骆季奎、宋吉舟、董殊荣等教授深入的探讨与启发下,比较研究了从二维材料中得到三维复杂结构的合成方法、材料性能及其在传感、柔性电子器件等方面的应用。研究成果已发表在期刊Chemical Society Reviews(IF=34.1), 并被编辑选为期刊封面推荐给读者。
此项学科的交叉研究在开展过程中还得到了俞滨、仇旻、彭笑刚等教授与其团队的研究生们在器件结构电容与电阻优化设计、高质量石墨烯/硅肖特基结工艺流片、量子点合成与表征、高分辨电子显微镜(HRTEM、SEM)表征、FTIR、Raman 表征、皮秒激光脉冲光路搭建、GHz高速光电测试与斩波器调制、光电探测器件阵列芯片封装、外围滤波与低噪声跨阻放大电路与测试等方面的指导与建议,该课题也得到浙江省杰出青年自然科学基金(项目资助号:LR12F04001)和国家基金(61274123 和61474099)的资助。
