大面積石墨烯的可擴(kuò)展合成和轉(zhuǎn)移支持了納米級(jí)光子器件的開發(fā)，這些器件非常適合各種領(lǐng)域的新應(yīng)用，從生物技術(shù)到用于醫(yī)療保健和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的可穿戴傳感器，再到量子傳輸、通信和計(jì)量學(xué)。 我們報(bào)告了室溫零偏置熱電光電探測(cè)器，基于通過化學(xué)氣相沉積 (CVD) 生長(zhǎng)的單晶和多晶石墨烯，可通過選擇片上圖案化納米天線的共振在整個(gè)太赫茲范圍 (0.1-10 THz) 內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧 . 證明了在室溫下具有噪聲等效功率 <1 nWHz
-1/2 和響應(yīng)時(shí)間 ∼5 ns 的高效光檢測(cè)。這種規(guī)格組合比以前在亞太赫茲和太赫茲范圍內(nèi)運(yùn)行的任何 CVD 石墨烯光接收器都要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 這些最先進(jìn)的性能以及在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體平臺(tái)上升級(jí)到多像素架構(gòu)的可能性是在商用微測(cè)輻射熱計(jì)陣列尚未覆蓋的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)具有成本效益的太赫茲相機(jī)的起點(diǎn)
.
圖1。（a）領(lǐng)結(jié)耦合單柵化學(xué)氣相沉積玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，帶有片上領(lǐng)結(jié)天線。R
b天線半徑，α= 90°是張角。集成在線性偶極天線中的雙柵單反p-n結(jié)。示出了偶極子的半長(zhǎng)R
d。插圖:p-n結(jié)有源元件的布局(類似的布局用于單柵幾何結(jié)構(gòu))，指示相關(guān)的幾何參數(shù)。Lc 和Wc是柵極區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度，w是兩個(gè)頂部柵極之間的間隙大小，h
1，2是定義接觸區(qū)域的幾何參數(shù)，m
1，2定義了CPD。偽彩色掃描電鏡圖像顯示兩個(gè)凝膠滲透色譜。(c，d)天線模擬顯示了對(duì)于w = 200 nm，相對(duì)于天線尺寸的場(chǎng)增強(qiáng)。（c）在2.8THz照射下，平行于天線軸的電場(chǎng)分量的增強(qiáng)是天線半長(zhǎng)的函數(shù)。（d）作為天線半長(zhǎng)函數(shù)的能量增強(qiáng)。蝶形天線的能量增強(qiáng)較小(因子2)。（e）作為輻射頻率函數(shù)的能量增強(qiáng)。蝶形天線的百分帶寬為44%，線性偶極天線為12.5%。蝶形天線和線性偶極天線的面內(nèi)場(chǎng)增強(qiáng)與頻率的關(guān)系。(c，d，e，f)中的結(jié)果是通過評(píng)估當(dāng)金屬天線在基板上時(shí)，對(duì)于能量和平面內(nèi)電場(chǎng)的GFET通道位置中的體積積分而獲得的，并且歸一化為基板上沒有天線的情況。
圖2。(a)室溫下通道電阻與Vg的函數(shù)關(guān)系，顯示Vg = -0.48v時(shí)的CNP。對(duì)于該器件，外推一個(gè)電子(空穴)u
FE～1200 cm
2V
-1s
-1(900 cm
2V
-1s
-1)和n
0～4.1×10
11cm
-2。(b)PTE和OPW模式的比較。左縱軸，藍(lán)色曲線:PTE光電壓(V
PTE)，作為柵電極下的塞貝克系數(shù)(S
bg)和溝道未選通部分(S
bu)之間的差值獲得，乘以△Te = 1k。Sbg根據(jù)GFET跨導(dǎo)計(jì)算，使用莫特方程。Sbu假設(shè)等于Sbg在Vg= 0 V。右縱軸，紅色曲線:場(chǎng)效應(yīng)晶體管因子(F)，根據(jù)GFET跨導(dǎo)計(jì)算。(c)單位帶寬的噪聲電壓(左縱軸，Vg= 0 V)。(d)空氣側(cè)左縱軸:用1.334kHz的調(diào)制頻率測(cè)量的太赫茲響應(yīng)度。雙符號(hào)變化與PTE主導(dǎo)的反應(yīng)兼容。右垂直軸:光從正面入射并通過硅透鏡襯底時(shí)測(cè)得的作為Vg函數(shù)的光電壓。改進(jìn)的光學(xué)耦合將光響應(yīng)提高了一個(gè)因子4。 （e）作為Vg函數(shù)的NEP。(f)黑色曲線:在負(fù)微分電阻狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)QCL時(shí)記錄的光電壓時(shí)間軌跡。從波形中，我們提取出τ～6±0.3 ns。藍(lán)色陰影區(qū)域代表激光發(fā)射關(guān)閉的時(shí)間間隔。
圖 3. (a) 通道電阻圖作為施加到分裂柵極的偏置的函數(shù)。可以看到對(duì)應(yīng)于p-n、p-p、n-p 和n-n摻雜的傳輸機(jī)制。(b) R
V譜圖。符號(hào)反轉(zhuǎn)導(dǎo)致額外的 p-p' 和 n-n' 區(qū)域，因此具有六重對(duì)稱性，這是 PTE的標(biāo)志。彩色方塊表示記錄（e）中波形的電壓配置。虛線垂直線表示對(duì)應(yīng)于（d）的地圖中的線切割。(c) NEP 圖，顯示了 V
gL= -2 V，V
gR= 1.7 V 時(shí)的最小值 ~1.3 nWHz
-1/2。 (d) 從基板側(cè)（淺藍(lán)色）和空氣側(cè)（藍(lán)色）照射探測(cè)器時(shí)測(cè)量的響應(yīng)率，保持 V
gL= 1.3V，同時(shí)將 V
gR 從-2 V掃描到+2 V。（e）光電壓時(shí)間軌跡，當(dāng)QCL在負(fù)差分電阻狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)時(shí)記錄，針對(duì)不同的 V
gL、V
gR 測(cè)量。提取的τ為 ~5.2 ± 0.4 ns。陰影區(qū)域表示激光輸出功率預(yù)計(jì)會(huì)因波動(dòng)而消失的時(shí)間間隔。
圖 4. (a) 作為n
0函數(shù)的NEP（用于空氣側(cè)照明）的散點(diǎn)圖。黑色虛線是目標(biāo)的指南。綠點(diǎn)代表單頂柵 GFET； 黃色（藍(lán)色）點(diǎn)表示配備線性偶極（領(lǐng)結(jié)）天線的分裂柵 p-n 結(jié)。 (b) NEP與u。 (c) NEP與R
0*。( d-f ) 作為W
c函數(shù)繪制的器件性能。實(shí)心圓圈代表單個(gè)頂柵 GFET，空心圓圈代表 p-n 結(jié)GPD。 (d) 平均接觸電阻。 (e) 平均R
v。 (f) 平均NEP。 為每個(gè) Wc和 GPD 類型計(jì)算平均值。
圖 5. (a) 在 Cu 上生長(zhǎng)的 SLG 晶粒的代表性光學(xué)圖像，對(duì)比度通過在 250 ℃ 下在空氣中加熱 1 分鐘而增強(qiáng)。比例尺 100 μm。 (b) 代表性拉曼光譜，在532 nm處測(cè)量在 Cu（藍(lán)色）和SLG在SiO
2/Si（紅色）上轉(zhuǎn)移后生長(zhǎng)的 SLG SC。 (c)多晶SLG在514.5 nm的拉曼光譜，在Cu上生長(zhǎng)（紅色）并在SiO
2/Si上轉(zhuǎn)移SLG（藍(lán)色）。
圖 6. (a) Si/SiO
2上12個(gè)器件的光學(xué)顯微鏡圖像。(b) 安裝在陶瓷載體上用于直流電表征的芯片的照片。
圖 7. (a) NEP的分布。實(shí)線代表擬合正態(tài)分布（注意x軸是對(duì)數(shù)刻度）。 計(jì)算出的平均值和IQR分別為4.3 nWHz
-1/2和3.3 nWHz
-1/2。 (b) 殘余載流子密度n
0的分布，均值為 ∼ 1.17 × 10
12cm
−2 和 IQR ∼ 0.63 × 10
12cm
−2。 實(shí)線表示對(duì)數(shù)據(jù)的高斯擬合。 (c) μ
h 的分布，平均 ∼2590 cm
2 V
−1s
−1 和 IQR ∼ 1780 cm
2V
−1s
−1。 實(shí)線表示擬合數(shù)據(jù)的正態(tài)分布。(d)接觸電阻的分布，平均值約為 8250 Ω·μm，IQR約為4530 Ω·μm。 實(shí)線代表對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)。
相關(guān)科研成果由劍橋大學(xué)Miriam S. Vitiello等于2021年發(fā)表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06432）上。原文：Chip-Scalable, Room-Temperature, Zero-Bias, Graphene-Based Terahertz Detectors with Nanosecond Response Time。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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