近紅外光電探測器在夜視監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。由于二維石墨烯材料具有獨(dú)特性質(zhì)（零帶隙結(jié)構(gòu)、高載流子遷移率、功函數(shù)可調(diào)）使其在紅外探測領(lǐng)域具有巨大潛質(zhì)。為了充分利用石墨烯的優(yōu)勢，并克服其吸收率低、暗電流噪聲大的不足，研究者利用局域場調(diào)控設(shè)計(jì)混合結(jié)構(gòu)以提高紅外探測器性能。
局域場增強(qiáng)可以簡單描述為通過微觀局部空間中的強(qiáng)場增強(qiáng)光-物質(zhì)的相互作用和控制二維半導(dǎo)體中的載流子運(yùn)動來有效的挑戰(zhàn)器件性能，局域場增強(qiáng)的方式主要包括：光柵場增強(qiáng)、鐵電場增強(qiáng)、浮柵感應(yīng)靜電場增強(qiáng)、層間內(nèi)建場增強(qiáng)、溫度梯度場增強(qiáng)和表面等離子體增強(qiáng)，這些局域場通過增加光吸收、提高載流子分離效率抑制噪聲和放大光電增益來提高二維半導(dǎo)體探測的探測能力。
近期，電子科技大學(xué)王軍教授課題組在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“局域場增強(qiáng)石墨烯近紅外光電探測器”為主題的綜述文章。王軍教授主要從事室溫紅外-太赫茲探測相關(guān)材料與器件技術(shù)方面的研究工作。
這項(xiàng)研究總結(jié)了局域場增強(qiáng)石墨烯近紅外光電探測器的研究成果，介紹了單吸收層局域場增強(qiáng)器件并分析基于不同類型感光材料器件的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步介紹了雙吸收層局域場增強(qiáng)器件，對筆者所做的雙吸收層器件中電流極性等相關(guān)研究進(jìn)行了簡述。最后對局域場增強(qiáng)探測器相關(guān)功能拓展領(lǐng)域研究進(jìn)行了簡介，對該類器件的發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡要的總結(jié)和展望。
單吸收層局域場增強(qiáng)石墨烯探測器典型結(jié)構(gòu)
單吸收層局域場增強(qiáng)石墨烯探測器：初期研究者們設(shè)計(jì)單組分材料作為吸光材料，包括量子點(diǎn)、二維材料、有機(jī)小分子/聚合物、單晶、鈣鈦礦等，將單一吸光材料與石墨烯構(gòu)筑局域場增強(qiáng)探測器靈敏度。除了通過單組分材料與石墨烯形成的光柵局域場提高石墨烯探測器響應(yīng)度，等離激元結(jié)構(gòu)形成局域場增強(qiáng)也是提高二維材料光電探測器的有效策略。研究者將石墨烯等二維材料與金屬納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，由于二維材料表面等離激元產(chǎn)生的局部電磁場可以有效增強(qiáng)光的吸收，從而使器件的性能及光譜選擇性得到顯著提高。
表面等離子激元局域場增強(qiáng)石墨烯探測器典型結(jié)構(gòu)
雙吸收層局域場增強(qiáng)石墨烯探測器：單吸收層材料形成的局域場注入能力受限，設(shè)置異質(zhì)結(jié)形成內(nèi)建局域場能夠更有效分離產(chǎn)生的光生載流子，進(jìn)而提升器件的光電特性。與石墨烯形成光柵結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)探測器吸收材料能帶對電流極性有重要影響。
雙吸收層局域場增強(qiáng)石墨烯探測器典型結(jié)構(gòu)
局域場拓展石墨烯基光電探測器功能主要有光子突觸仿生和光調(diào)制功能。利用電子設(shè)備來模擬生物突觸是邁向類腦計(jì)算至關(guān)重要的一步，光子突觸兼具光敏性與突觸功能，具有提升信息處理速度和降低能耗的優(yōu)勢，是目前研究的新方向，局域場增強(qiáng)石墨烯光電探測器優(yōu)秀的光電探測能力為光子突觸提供了一個嶄新的平臺。另外，光電設(shè)備的光信號狀態(tài)可以被外部信號所調(diào)制改變，通常通過柵極電壓來調(diào)節(jié)光信號的幅度、速度等，如能通過外部光信號對器件的本征光信息進(jìn)行調(diào)制可以簡化系統(tǒng)的電路復(fù)雜度以及降低能耗，因此研究光調(diào)制的光電器件對發(fā)展光邏輯、光通信等領(lǐng)域至關(guān)重要，石墨烯結(jié)合雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的光生載流子輸運(yùn)行為，其為設(shè)計(jì)光調(diào)制器件提供了一個平臺。
石墨烯異質(zhì)結(jié)全光調(diào)控光子突觸
這項(xiàng)研究簡要概括了局域場增強(qiáng)型石墨烯近紅外光電探測器的一些最新研究成果及其功能擴(kuò)展。這些工作主要依賴于光柵局域場調(diào)控二維石墨烯載流子濃度，賦予其出色的近紅外光探測能力。傳統(tǒng)的單層材料局域場調(diào)控器件因石墨烯與材料界面處能量損耗，限制了光生載流子的分離效率，導(dǎo)致相對較差的量子效率以及相對較長的響應(yīng)時間。而平面異質(zhì)結(jié)局域場提供了一個垂直方向的光生載流子分離電場，促進(jìn)了光生載流子的解離，并且響應(yīng)時間提高到了微秒級別。然而，平面異質(zhì)結(jié)的光生載流子分離只限于結(jié)區(qū)附近，這使大部分光能沒有被充分利用；诖耍w異質(zhì)結(jié)局域場調(diào)控被引入有效克服了平面異質(zhì)結(jié)有限的光電轉(zhuǎn)換效率，使局域場增強(qiáng)型石墨烯近紅外光電探測器的靈敏度可與工業(yè)上的硅光電探測器相媲美。
然而，目前局域場增強(qiáng)型石墨烯光電探測器的研究大多數(shù)集中在可見光和近紅外波段，在中遠(yuǎn)紅外波段的探測性能普遍較低。提升探測器在中遠(yuǎn)紅外乃至太赫茲波段的探測性能對于未來其應(yīng)用于軍民等領(lǐng)域是至關(guān)重要的。目前，限制局域場增強(qiáng)型石墨烯探測器中遠(yuǎn)紅外光電探測性能的重要原因是長波材料的半導(dǎo)體能帶較窄，難以通過局域場有效的提取其光生載流子。因此，考慮如何避免長波激發(fā)的光生載流子復(fù)合和長波輻射的背景噪聲影響，并將光生載流子有效提取到石墨烯通道中，對下一步提升局域場增強(qiáng)型中長波紅外光電探測器非常重要。
另一方面，隨著人工智能、萬物互聯(lián)時代的到來，迫切需要可以集成多種功能的光電系統(tǒng)。而局域場增強(qiáng)型石墨烯光電探測器在光邏輯、光通信、光存儲、機(jī)器視覺、神經(jīng)計(jì)算等領(lǐng)域的性能已被探索，并且其能夠制備在柔性襯底，可以實(shí)現(xiàn)大面積圖形化加工，因此多種功能集成的局域場增強(qiáng)型石墨烯光電器件也會備受關(guān)注。
