复旦大学二维共轭材料与器件实验室
暨 高分子科学系魏大程课题组
Two Dimensional Conjugated Material and Device Laboratory & Wei's Group @ Fudan University

《半导体学报》石墨烯纳米谐振腔等离激元增强的室温高效中红外探测器

基于低维材料的红外光探测器件在通讯、安防以及生物医学等领域有广泛的应用。近些年来,光与物质作用中等离激元的局域光场增强效应吸引了研究者的浓厚兴趣。石墨烯能在中红外及太赫兹波段支持低损耗等离激元,对电磁场进行高度局域,可以弥补贵金属等离激元在长波长难以应用的短板,而且可通过构建石墨烯纳米微腔结构来进一步提高场局域特性。采用等离激元材料与二维材料异质复合后的光电器件作为红外感应单元,不但具有二维材料的载流子迁移率高、光吸收强和良好柔韧性等性能,而且有潜力克服目前商用红外光探测器工艺复杂和制冷能耗高等瓶颈。


近期,复旦大学魏大程教授课题组澳大利亚蒙纳士大学鲍桥梁教授课题组开展合作,通过等离子体增强化学气相沉积的方法,生长出尺寸及密度高度可控的单层石墨烯单晶纳米片,这些纳米片形成天然的等离激元纳米谐振腔,通过谐振腔中的等离激元增强石墨烯光探测器的吸收,并进一步构筑了等离激元增强型中红外室温光探测器。相较于之前的研究,这种天然的石墨烯微腔避免了微纳加工过程对石墨烯质量及等离激元性能的影响。其次,不同于常见的光栅效应和热辐射效应,该器件基于谐振腔中等离激元高效的近场局域特性,从而增强石墨烯与红外光的作用,大幅提升石墨烯吸收红外光子的能力,最终实现高效的红外探测性能。相关成果发表在Journal of Semiconductors上,为新型极化激元增强红外光电器件提供了新的思路。


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图1.(a)石墨烯纳米谐振腔(graphene nanoresonators, GNRs)/石墨烯异质结器件结构示意图。(b)基于不同密度石墨烯纳米谐振腔的异质结器件与纯石墨烯器件的光电流曲线对比。右下方插图:不同石墨烯纳米谐振腔的表面形貌图像。标尺:300 nm。


Graphene plasmonic nanoresonators/graphene heterostructures for efficient room-temperature infrared photodetection

Tian Sun, Weiliang Ma, Donghua Liu, Xiaozhi Bao, Babar Shabbir, Jian Yuan, Shaojuan Li, Dacheng Wei*, Qiaoliang Bao*

J. Semicond.   2020, 41(7): 072907

doi: 10.1088/1674-4926/41/7/072907


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