大面積石墨烯的可擴展合成和轉移支持了納米級光子器件的開發(fā)，這些器件非常適合各種領域的新應用，從生物技術到用于醫(yī)療保健和運動檢測的可穿戴傳感器，再到量子傳輸、通信和計量學。 我們報告了室溫零偏置熱電光電探測器，基于通過化學氣相沉積 (CVD) 生長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太赫茲范圍 (0.1-10 THz) 內進行調諧 . 證明了在室溫下具有噪聲等效功率 <1 nWHz
-1/2 和響應時間 ∼5 ns 的高效光檢測。這種規(guī)格組合比以前在亞太赫茲和太赫茲范圍內運行的任何 CVD 石墨烯光接收器都要高幾個數(shù)量級。 這些最先進的性能以及在互補金屬氧化物半導體平臺上升級到多像素架構的可能性是在商用微測輻射熱計陣列尚未覆蓋的頻率范圍內實現(xiàn)具有成本效益的太赫茲相機的起點
.
圖1。（a）領結耦合單柵化學氣相沉積玻璃纖維增強復合材料，帶有片上領結天線。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。示出了偶極子的半長R
d。插圖:p-n結有源元件的布局(類似的布局用于單柵幾何結構)，指示相關的幾何參數(shù)。Lc 和Wc是柵極區(qū)域的長度和寬度，w是兩個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凝膠滲透色譜。(c，d)天線模擬顯示了對于w = 200 nm，相對于天線尺寸的場增強。（c）在2.8THz照射下，平行于天線軸的電場分量的增強是天線半長的函數(shù)。（d）作為天線半長函數(shù)的能量增強。蝶形天線的能量增強較小(因子2)。（e）作為輻射頻率函數(shù)的能量增強。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場增強與頻率的關系。(c，d，e，f)中的結果是通過評估當金屬天線在基板上時，對于能量和平面內電場的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)關系，顯示Vg = -0.48v時的CNP。對于該器件，外推一個電子(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跨導計算，使用莫特方程。Sbu假設等于Sbg在Vg= 0 V。右縱軸，紅色曲線:場效應晶體管因子(F)，根據(jù)GFET跨導計算。(c)單位帶寬的噪聲電壓(左縱軸，Vg= 0 V)。(d)空氣側左縱軸:用1.334kHz的調制頻率測量的太赫茲響應度。雙符號變化與PTE主導的反應兼容。右垂直軸:光從正面入射并通過硅透鏡襯底時測得的作為Vg函數(shù)的光電壓。改進的光學耦合將光響應提高了一個因子4。 （e）作為Vg函數(shù)的NEP。(f)黑色曲線:在負微分電阻狀態(tài)下驅動QCL時記錄的光電壓時間軌跡。從波形中，我們提取出τ～6±0.3 ns。藍色陰影區(qū)域代表激光發(fā)射關閉的時間間隔。
圖 3. (a) 通道電阻圖作為施加到分裂柵極的偏置的函數(shù)。可以看到對應于p-n、p-p、n-p 和n-n摻雜的傳輸機制。(b) R
V譜圖。符號反轉導致額外的 p-p' 和 n-n' 區(qū)域，因此具有六重對稱性，這是 PTE的標志。彩色方塊表示記錄（e）中波形的電壓配置。虛線垂直線表示對應于（d）的地圖中的線切割。(c) NEP 圖，顯示了 V
gL= -2 V，V
gR= 1.7 V 時的最小值 ~1.3 nWHz
-1/2。 (d) 從基板側（淺藍色）和空氣側（藍色）照射探測器時測量的響應率，保持 V
gL= 1.3V，同時將 V
gR 從-2 V掃描到+2 V。（e）光電壓時間軌跡，當QCL在負差分電阻狀態(tài)下驅動時記錄，針對不同的 V
gL、V
gR 測量。提取的τ為 ~5.2 ± 0.4 ns。陰影區(qū)域表示激光輸出功率預計會因波動而消失的時間間隔。
圖 4. (a) 作為n
0函數(shù)的NEP（用于空氣側照明）的散點圖。黑色虛線是目標的指南。綠點代表單頂柵 GFET； 黃色（藍色）點表示配備線性偶極（領結）天線的分裂柵 p-n 結。 (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。實心圓圈代表單個頂柵 GFET，空心圓圈代表 p-n 結GPD。 (d) 平均接觸電阻。 (e) 平均R
v。 (f) 平均NEP。 為每個 Wc和 GPD 類型計算平均值。
圖 5. (a) 在 Cu 上生長的 SLG 晶粒的代表性光學圖像，對比度通過在 250 ℃ 下在空氣中加熱 1 分鐘而增強。比例尺 100 μm。 (b) 代表性拉曼光譜，在532 nm處測量在 Cu（藍色）和SLG在SiO
2/Si（紅色）上轉移后生長的 SLG SC。 (c)多晶SLG在514.5 nm的拉曼光譜，在Cu上生長（紅色）并在SiO
2/Si上轉移SLG（藍色）。
圖 6. (a) Si/SiO
2上12個器件的光學顯微鏡圖像。(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。實線代表擬合正態(tài)分布（注意x軸是對數(shù)刻度）。 計算出的平均值和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。 實線表示對數(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。 實線代表對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)。
相關科研成果由劍橋大學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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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