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具有光存储功能的高光敏性石墨烯场效应晶体管
出处:OIL实验室  录入日期:2020-10-06  点击数:181

  石墨烯是一种很有前途的用于超宽波长区域(从紫外到太赫兹)的光电探测器材料。然而,石墨烯的光吸收灵敏度还存在很大缺陷。为了提高光敏性,光敏材料和石墨烯的复合,已经被广泛研究,在石墨烯沟道附近积累的光激发电荷改变了石墨烯的费米能级。电荷积累过程减慢响应约几十秒到分钟。相反,在接触处的电荷积累会诱导有效的光致修饰的接触电阻,这将提高其光敏性。在此,该课题组展示了一个高感光性的石墨烯场效应晶体管,噪声当量功率为~3×10−15W/Hz1/2,在室温下,在毫秒内的响应时间内,金电极上的金氧化物调制的接触电阻,在接触处捕获的电荷的光辅助弛豫。此外,这种光诱导弛豫赋予光记忆功能的保留时间为5秒。这些发现有望为实现具有光学记忆功能的高灵敏度的单光子探测石墨烯光电探测器开辟道路。

 


  图1. 等离子体氧化形成金氧化物的石墨烯晶体管传输特性(a)源极和漏极上含金氧化物的石墨烯晶体管示意图。(b,c)等离子体氧化前后Au4f峰的XPS谱图。(d)暗光照条件下等离子体氧化法制备金氧化物的G-FET的传输特性。(e)不同扫描率的VGS随VGS的变化。

 


  图2. 天然金氧化物-石墨烯晶体管的传输特性(a)XPS测试结果。(b)用自然氧化法制备的金氧化物,在暗光和光照条件下测量了G-FET的传输特性。(c)不同扫描速率的VGS随ΔIDS的变化。

 


  图3. ΔIDS 的瞬态响应(a)VGS和光照时间示意图。下图显示IDS的重复瞬态响应。(b)不同光强下的ΔIDS随时间变化。(c)不同光脉冲宽度的ΔIDS随时间变化。箭头表示脉冲宽度。(d)激发的光子数与光响应的关系。

 


  图4. 光诱导IDS. 的保持特性(a)   VGS和光照时间示意图。下图显示由暗电流和光电流的弛豫诱导的保持特性。(b)ΔIDS保持特性的对数图。(c)由实验数据拟合成的ΔIDS和时间的关系图。

 


  图5.能带结构示意图(a)金/AuOx/石墨烯能带图。(b-d)VGS= VDirac, VGS < VDirac, 和VGS> VDirac 在光照射下的电势分布图,(d)中的红色实心线和绿色虚线分别表示VGS变成VGS> VDirac 的平衡关系。(e)光照射后的电荷和电位分布。(f)VGS> VDirac 完全弛豫态。
  Ishida S ,Anno Y , Takeuchi M , et al. Highly photosensitive graphene field-effect transistor with optical memory function. Scientific Reports, 2015, 5:15491.

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