【引言】
紫外光電探測(cè)器在空間通信、納米軍事偵察、顆粒環(huán)境監(jiān)測(cè)、修飾生物醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域具有廣泛而重要的維石應(yīng)用。石墨烯優(yōu)異的墨烯光學(xué)和電學(xué)性能使之成為制造紫外光電探測(cè)器的理想材料。但是紫外單層石墨烯對(duì)光的吸收率很低（~2.3%），導(dǎo)致平面二維（2D）純石墨烯紫外光電探測(cè)器的光電響應(yīng)度不高。如何提高石墨烯紫外光電探測(cè)器的探測(cè)響應(yīng)度，同時(shí)保持較高的器材響應(yīng)速度，是料牛一個(gè)公認(rèn)的難題。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，納米北京交通大學(xué)李莎莎（第一作者）、顆粒鄧濤（通訊作者）等人將溶液合成的修飾二氧化鈦（TiO2）納米顆粒（NP）與三維（3D）石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管（GFET）相結(jié)合，制備出了一種具有超高響應(yīng)度且響應(yīng)時(shí)間可調(diào)的維石新型紫外光電探測(cè)器。在零柵壓和零源漏偏壓條件下，墨烯器件的響應(yīng)時(shí)間小于10?ms，響應(yīng)度比無TiO2?NP修飾的3D?GFET器件的響應(yīng)度提高約30%；在零柵壓、0.8?V源漏偏壓條件下，器件的響應(yīng)度可達(dá)475.5?A/W，比最近報(bào)道的基于石墨烯/垂直Ga2O3納米線陣列異質(zhì)結(jié)型紫外光電探測(cè)器的響應(yīng)度（0.185 A/W）大3個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，這種TiO2?NP修飾3D GFET型紫外光電探測(cè)器的響應(yīng)度和響應(yīng)速度還可以通過施加很小的源漏偏壓（＜1?V）和（或）柵壓（≤3?V）進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。該研究表明，將3D?FET結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體光敏物質(zhì)相結(jié)合可以有效提高石墨烯光電探測(cè)器的綜合性能，這為基于二維材料的高性能光電探測(cè)器研發(fā)提供了新的思路。相關(guān)研究結(jié)果以題為“High sensitivity ultraviolet detection based on?three-dimensional graphene field effect transistors?decorated with TiO2?NPs”的文章在線發(fā)表在Nanoscale上。
【圖文導(dǎo)讀】
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圖1?二氧化鈦（TiO2）納米顆粒（NP）修飾自卷曲三維（3D）石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管（GFET）。（a）和（b）TiO2?NP修飾前、后的3D GFET；（c）TiO2?NP修飾3D GFET微管；（d）鍵合在PCB上的TiO2?NP修飾3D GFET；（e）石墨烯/ TiO2?NP導(dǎo)電溝道；（f）TiO2?NP修飾前（藍(lán)線）、后（紅線）3D GFET的拉曼光譜。
圖2?TiO2?NP修飾前、后3D GFET的電學(xué)和光電特性。（a）TiO2 NP修飾前、后3D GFET的轉(zhuǎn)移特性對(duì)比；（b）和（c）TiO2 NP修飾前、后3D GFET的輸出特性曲線；（d）TiO2 NP修飾3D GFET在不同入射光功率下的轉(zhuǎn)移特性。.
圖3?TiO2?NP修飾前、后3D GFET的光電特性。（a）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（b）零柵壓和零源漏偏壓（Vgs?= Vds?= 0 V）條件下，TiO2?NP修飾前、后3D GFET的瞬態(tài)光電響應(yīng)；（c）單個(gè)調(diào)制周期的瞬態(tài)光電響應(yīng)。
圖4?TiO2?NP修飾3D GFET基于光柵效應(yīng)工作的光電特性。（a）在Vds?= 0.1 V和Vgs?= 0 V條件下，器件的瞬態(tài)光電響應(yīng)；（b）器件光電響應(yīng)隨源漏偏壓變化；（c）在Vds?= 0.1 V和Vgs?= 0 V條件下，器件響應(yīng)度隨入射激光功率變化；（d）器件響應(yīng)度隨源漏偏壓變化；實(shí)驗(yàn)中所用激光波長(zhǎng)為325 nm，圖（a）和（b）所用激光功率均為3.47 mW，圖（d）所用激光功率為0.35 μW。
圖5?TiO2?NP修飾3D GFET和作為參照的TiO2?NP修飾平面二維（2D）GFET光場(chǎng)仿真。（a）在波長(zhǎng)為325 nm、電場(chǎng)強(qiáng)度為E0?= 1 V/m的平面光輻射下，TiO2?NP修飾3D GFET附近的電場(chǎng)強(qiáng)度（E3D）分布；（b）相同條件下，TiO2?NP修飾2D GFET附近的電場(chǎng)強(qiáng)度（E2D）分布。
圖6?TiO2?NP修飾3D GFET的柵壓可調(diào)光電特性。（a）器件歸一化響應(yīng)度隨柵壓變化；（b）器件光電流上升時(shí)間隨柵壓變化；實(shí)驗(yàn)中源漏電壓Vds?= 0.1 V，激光功率為3.47 mW。
【小結(jié)】
本文利用溶液合成的二氧化鈦納米顆粒修飾自卷曲三維石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管，制造出了一種新型的紫外光探測(cè)器，利用紫外光敏物質(zhì)和微管式光學(xué)諧振腔的雙重增強(qiáng)作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紫外光的超高靈敏度、快速探測(cè)。
文章鏈接：https://doi.org/10.1039/C9NR04475B?
本文由北京交通大學(xué)鄧濤老師團(tuán)隊(duì)供稿。
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