基于铌酸锂基底铁电极化的石墨烯光电探测器研究

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二维材料石墨烯具有零带隙、宽光谱吸收和高载流子迁移率等优点,可以为光电探测器提供宽光谱探测、稳定的光谱响应和快响应速率。因此,基于石墨烯的光电探测器引起了研究人员的关注。但是,单层石墨烯存在光吸收率低、暗电流大、与光相互作用长度短等问题,严重阻碍了石墨烯光电探测器的实际应用。所以,获得高灵敏度和宽带的石墨烯光电探测器仍然是一个挑战。铌酸锂(Li Nb O3)是一种铁电材料,具有自发极化、高介电常数、高热释电系数和宽透光范围。它可以通过自身的铁电极化对其表面的石墨烯进行掺杂,从而改善器件的光电探测性能。本论文将借助x-cut铌酸锂铁电极化,来实现石墨烯的P型掺杂和N型掺杂,形成P-N型石墨烯同质结。我们制备出基于铌酸锂块材基底的石墨烯光电探测器和基于铌酸锂薄膜基底的石墨烯光电探测器两个器件。基于铌酸锂块材基底的石墨烯光电探测器可用于405 nm-2000 nm宽光谱范围内进行光电探测,在24 p W光功率(λ=1064 nm)下的响应度为~2.92×10~6 A/W、具有~8.65×1014Jones的比探测率,响应上升/下降时间分别为~23 ms/~23 ms。基于铌酸锂薄膜基底的石墨烯光电探测器在405nm-2000 nm范围内也具有宽光谱探测,在25 p W入射功率(λ=1064 nm)下的响应度为~1.78×10~5 A/W、具有~3.32×1011 Jones的比探测率。在808 nm入射激光下响应上升/下降时间分别为~3.3 ms/~2.1 ms。通过对比我们发现基于铌酸锂块材基底的石墨烯光电探测器展示出更高的响应度和比探测率,而基于铌酸锂薄膜基底的石墨烯光电探测器则具有更快的响应速度。通过可见光波段与近红外波段探测对比可知,两个器件都在近红外波段内具有更好的探测能力。与已经报道的光电探测器相比,基于铌酸锂基底的石墨烯光电探测器展示出宽波段范围探测和其他出色的光电性能。这项工作不仅加深和扩展了二维材料和铁电材料的基础研究,而且在高性能光电检测方面具有巨大的潜力。对于本文中的创新点总结如下:本论文将借助x-cut铌酸锂铁电极化,来实现石墨烯的P型掺杂和N型掺杂,形成P-N型石墨烯同质结,从而制备出宽带(405 nm-2000 nm)、高灵敏度光电探测器。
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