设为首页
收藏本站
 集团新闻
 新闻综述
 公告
 媒体评论
 首页>>新闻中心>>新闻综述
Nat. Commun.:利用石墨烯实现灵敏快速中红外光电探测的新思路
出处:低维 昂维  录入日期:2020-10-07  点击数:306

 

  双曲声子-极化激元(HPPs)是极性介电材料(例如h-BN)中离子振动和光的混合模式,显示出有趣的光学特性。实际上,可以通过将HPPs功能与其他基于2D材料的器件(例如受光热电(PTE)效应控制的石墨烯光电探测器)合并来获得新颖的纳米光电平台。这种机制在整个沟道内的温度梯度和费米能级不对称的驱动下,在石墨烯pn结中产生光响应。然而,这些探测器的局限性之一是石墨烯的低光吸收,特别是对于中红外频率,其中的光子能量可与达到Pauli阻塞态的典型石墨烯掺杂水平相媲美。由于受热载流子冷却长度(0.5-1 μm)的限制,石墨烯pn结的光敏面积较小,这进一步加剧了这种情况。这些限制可以通过激发HPPs并将其聚焦在光活性区域,然后将其吸收到石墨烯中来克服。然而,对于中红外光探测,对HPPs的有效利用仍未探索。
  有鉴于此,近日,西班牙巴塞罗那科学技术学院Frank H. L. Koppens教授和希腊约阿尼纳大学Elefterios Lidorikis教授(共同通讯作者)等合作通过将等离激元天线与h-BN中的双曲声子-极化激元有效耦合,将中红外光高度集中到石墨烯pn结中,克服了所有这些挑战。通过器件的几何形状来平衡石墨烯中吸收、导电和导热之间的相互作用。这种方法可产生出色的器件性能,其中包括室温下的高灵敏度(NEP为82 pW/Hz1/2)和快速的上升时间(17 ns)等,实现了目前在最先进的石墨烯和商用的中红外探测器中尚不存在的组合。此外,还开发了一个多物理场模型,与实验结果显示出很好的定量一致性,并揭示了对光响应的不同贡献,从而为进一步改进这些类型的光电探测器(甚至超出了中红外范围)铺平了道路。文章以“Plasmonic antenna coupling to hyperbolic phonon-polaritons for sensitive and fast mid-infrared photodetection with graphene”为题发表在著名期刊Nature Communications上。

 


  图1. 器件示意图和工作原理。(a)光电探测器的示意图。(b)器件设计的侧视图。(c)光学图像。(d&e)沿不同方向偏振时,模拟的总电场强度的横截面图。
  该设计(如图1a-c所示)结合了多种机制,以实现两种入射光偏振的高场集中。具体而言,当光平行于领结型天线轴偏振时(横磁,TM偏振,图1d),会激发光谱位于λ≈5-7 μm的局部表面等离激元共振(LSPR)。天线将入射的中红外光集中到其间隙中,恰好位于石墨烯pn结上方(即探测器光敏区域)。同时,在天线热点内产生的近场包含较高的动量,从而有效地发射归因于天线LSPR与hBN上剩余射线频带(RB)范围(λ≈6-7 μm)频谱重叠的HPPs。这些HPPs作为传导模式传播,并在石墨烯pn结内发生干涉,从而在较小的局部区域产生高吸收。同样,当光垂直于领结型天线轴偏振时(横电,TE偏振,图1e),会在H形天线的间隙中产生强的光集中,充当分离栅极,再次归因于其LSPR频谱位于λ≈5.5-7.5 μm。这种现象还将在栅极边缘发射hBN HPPs,这将在光敏区域内被传导并受到干涉。石墨烯中的吸收过程主要由带间跃迁来介导,发生在栅极间隙内的区域,其中的石墨烯掺杂足够小以避免Pauli阻塞。除了HPPs促进石墨烯吸收外,它们自身也吸收光。但是,由于石墨烯电子与晶格之间存在较大的热电容失配(~103),因此HPP吸收不会导致任何有意义的温度升高,因此不会有助于器件PTE响应。

 


  图2. 光电流产生和光谱光响应。(a)扫描光电流成像。(b)在λ=6.6 μm处,光电流成像与两个栅极电压的关系。(c&d)对于TM偏振和TE偏振,器件的实验和理论光谱外部响应率。
  为了揭示聚焦在λ=6.6 μm处光束的空间强度分布,扫描样品并测量光电流(IPTE),如图2a所示。观察到光束的Airy图案,这意味着在此波长下获得了聚焦良好的光束和高灵敏度。接下来,研究光响应与两个栅极电压(VL和VR)的关系,如图2b所示,揭示了光电流机制和最佳掺杂水平。当独立扫描栅极电压时,光电流遵循多个符号变化,从而形成6倍图案,这表明光电探测受PTE效应驱动。光电流的最大值出现在pn或np结构下,特别是在VL=1.6 V(170 meV)和VR=-0.82 V(-130 meV)时,这是较低的掺杂水平。注意到,在石墨烯沟道中施加电压偏置时,光电流保持恒定,而源-漏电流随偏置线性增加,因此可以忽略光浮栅效应和辐射热效应。为了确定光电探测器的光谱响应,测量了TM偏振(图2c)的外部响应率与激发波长的关系。在hBN RB处,可在6-7 μm范围内获得高达15 mA/W的高值。而另一方面,对于TE偏振(图2d),观察到两个响应峰,第一个响应峰(高达22 mA/W)再次出现在hBN RB(6-7 μm)内,第二个响应峰(3.5 mA/W)在8 μm左右。可以观察到实验和理论响应之间具有非常好的定性和定量一致性。

 


  图3. 吸收增强光谱。(a&b)对于TM和TE偏振,沿源-漏方向,石墨烯(G)的吸收增强与波长关系的模拟。(c&d)分别对应于(a)和(b),但具有与hBN无关的波长折射率(n=2.4)。
  首先,通过研究沿x方向跨沟道石墨烯中的吸收增强(G)以及波长的函数,从场强增强和空间局域性方面确定共振机制的行为,如图3所示。当TM偏振时(图3a),在天线LSPR处观察到非常高的G值(λ~6 μm)。由于hBN HPPs与天线LSPR的杂化以及在x~±100 nm处传播的HPPs的相长干涉,G的峰值在6.8 μm左右。实际上,hBN中HPP传播角的波长依赖性导致了G的不同空间模式。对于更长的波长,发现在7到7.3 μm之间的G可以忽略不计,对应于hBN横向光学(TO)声子。观察到最高的G值仅在天线和栅极重叠的空间受限区域(x~-100至100 nm),并且该区域被设计为与石墨烯pn结重合。然而,在hBN RB中,由于HPP传播,在这个紧密局域化的区域之外发现了较大的G值。对于TE偏振(图3b),由于栅极LSPR与HPP的杂化以及它们在x=0处的强烈的相长干扰,发现G的最大值在6.2和6.6 μm之间。对于更长的波长,确定了以8.5 μm为中心的G峰,对应于SiO2声子-极化激元(PPs)与栅极LSPR的杂化。
  为了进一步阐明天线在G中的作用,对于hBN,使用与波长无关的折射率值来模拟没有HPPs贡献的系统(图3c和d)。对于TM偏振(图3c),观察到一个6 μm左右的峰,对应于天线LSPR,其共振尾部延伸到8 μm。相比之下,对于TE偏振,由于栅极的复杂形状及其与源-漏接触的相互作用,图3d显示了在更宽波长范围(5.5-7.5 μm)内的高G值。尽管在图3d中观察到的G值比图3c低,当将栅极LSPR与HPPs结合时,在TE偏振中获得了更高的G值(图3b),这归因于其与hBN RB较高的光谱重叠,以及由于栅极激发的HPPs较强的相长干涉。

 


  图4. 模拟的响应率和NEP对天线和H形门几何形状的依赖性。(a)不同天线长度下TM偏振响应率的模拟。(b&c)在λ=6.5 μm处TE偏振时,响应率和NEP随栅极尖端宽度和长度变化的仿真。
  为了评估领结型天线LSPR与hBN HPPs之间的耦合,对于TM偏振研究了响应率与天线长度的关系,如图4a所示。当在hBN RB范围内使用非谐振天线(绿色)时,观察到了一些hBN HPPs激发,在这种情况下,获得了4 mA/W的最大响应率。对于半谐振天线(蓝色),其LSPR与RB频谱范围部分重叠,响应率提高到17 mA/W。但是,如果使用更长的天线(红色),使其LSPR峰与hBN HPPs峰完全重叠,则可以显著改善这一点,响应率达到65 mA/W。
  接下来,通过改变栅极尖端和石墨烯的宽度和长度,同时保持源-漏极的距离和宽度固定,如图4b和c所示,研究了H形栅极对响应率和NEP的影响。从图4b中可以看出,当将尖端宽度减小到最佳值500 nm时,响应率(NEP)增大(减小)。这归因于吸收,电阻和热导的平衡作用:较大的吸收和较低的热导增加了温度梯度,但是较小的电导也降低了光电流,从而降低了响应率。但是,对于栅极尖端长度的情况下,发现最佳值约为1.45 μm,大于实验值(855 nm),这表明了将来的设计和性能改进。这些结果突出了栅极和石墨烯沟道形状对PTE性能的重要性,以及多物理场建模在理解和优化这种复杂器件中的重要作用。

 


  图5. 光电探测速度和功率依赖性。(a)与MCT探测器和相应的QCL电压信号相比,在λ= 6.6 μm时,时间分辨的光电探测迹线。(b)对于不同波长,光电流随激光功率的变化。
  现在,讨论光电探测器的技术相关性。首先,通过使用商用上快速的汞-镉-碲化合物(MCT)探测器作为参考来测量光电探测速度。在图5a中绘制了量子级联激光(QCL)电压以及MCT和器件的光响应。MCT探测器的信号显示出激光的脉冲形状,将指数函数拟合到初始峰以确定上升时间,获得了9.5 ns值,接近其数据手册中的4.4 ns值。对于本文的光电探测器,当使用带宽为14 MHz的电流放大器时,发现上升时间为17 ns(22 MHz)。这表明时间分辨测量受到电流放大器带宽的限制,意味着实际上升时间可能更短,理论计算预测速度为53 ps。探测器的外部响应率的最大测量值为27 mA/W(92 V/W),产生的噪声等效功率为82 pW/Hz1/2。此外,如图5b所示,器件展示了宽的动态范围,其有效面积也很小,取决于天线的横截面,这意味着具有很高的空间分辨率,并有可能将其布置在与CMOS兼容的高密度光电探测器像素中。所有这些性能参数的组合使该器件成为一个有趣的平台,可以满足不断发展的趋势,即减小红外成像系统的尺寸,重量和功耗。
  本文通过把hBN和石墨烯嵌入到金属天线中,将它们的等离激元相互作用与HPPs耦合,在石墨烯pn结上实现了高度集中的中红外光,用于灵敏且快速的中红外光电探测。这种方法可产生出色的器件性能,其中包括室温下的高灵敏度(NEP为82 pW/Hz1/2)和快速的上升时间(17 ns)等,实现了目前在最先进的石墨烯和商用的中红外探测器中尚不存在的组合。在这项工作中引入的器件概念有望扩展到其他波长或更高特定功能(例如高光谱成像和光谱学)的探测器中,还可以与中红外和长波红外范围内的HPPs(例如MoO3)结合使用,通过控制双曲材料的厚度或形状,实现额外的调谐和波长灵敏度。

友情链接: 国际石墨烯产品认证中心IG...   西安丝路石墨烯创新中心   青岛国际石墨烯创新中心   石墨烯产业技术创新战略联盟   高校材料院长联谊会  

版权所有:北京现代华清材料科技发展中心 Copyright ©2019 

京ICP备10026874号-16  京公网安备 11010802023401