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摘 要： 石墨烯的光学响应极其微弱，制约了它在光电子学领域的应用。介绍了石墨烯探测器的基本工作原理，并基于石墨烯材料的带隙调控机理建立了石墨烯纳米带探测器结构模型，并进行数学模拟仿真，分析了纳米带宽度、I区长度及偏置电压对响应电流的影响，从而优化石墨烯纳米带探测器的结构参数，为高灵敏度室温石墨烯探测器的研究奠定基础。
关键词： 石墨烯； 石墨烯纳米带； 探测器； 仿真
中图分类号： TN 304.18 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2015）06-0087-03
0 引 言
随着电子器件和电子集成电路的微型化发展，促进了对纳米材料及其电子性能的研究。石墨烯具有优良的电学特性[1]、机械性能，使其成为新一代纳米电子器件的重要基础材料，但由于其光学响应极其微弱，制约了它在光电子学领域的应用。光电探测器是光电子学系统中不可缺少的重要部分[2]。本文首先研究了石墨烯材料的带隙调控特性，介绍了石墨烯探测器的基本工作原理，并建立石墨烯纳米带探测器结构及数学模型，通过采用有限元仿真软件对石墨烯纳米带探测器的几何尺寸、偏置电压、响应电流等结构参数进行仿真与优化，从而为高灵敏度室温石墨烯探测器的研究奠定基础。
1 工作原理
1.1 石墨烯纳米带隙调控机理
自从K. S. Novoselov和A. K. Geim突破传统物理观念，从实验室中成功制备出单层且稳定的石墨烯之后，这种新型的半导体电子材料引起了学者们的广泛关注。石墨烯作为功能材料，具有较好的发展优势，但是石墨烯的零带隙特性却制约了它在电子器件中大规模的应用。如何对石墨烯带隙进行有效地调控以打破石墨烯内部的对称结构，使其变为非导通，是解决这一问题的关键。常用的调控措施有单轴施压[3]、掺杂Si或P等杂质原子[4]、外加电场等方法。
结合密度泛函理论和石墨烯纳米级带隙的计算公式[6]，当石墨烯纳米带自带系数为1时，导带与价带之间的带隙大小表达式为
E=±（+）， （1）
式中：E为能量谱；Vf为石墨烯电子-空穴对的特征速度；P为纳米带电子-空穴动量；L为纳米宽度；m为有效质量。由此可知，当石墨烯处于纳米带时，E不为零，导带与价带之间存在有限带隙，即对石墨烯进行纳米带的剥离法能够解决石墨烯零带隙的问题。
1.2 石墨烯探测器的基本工作原理
PN光电二极管是一种结构简单的光电探测器，其基本原理是当PN二极管受到光照且光子能量超过材料禁带宽度时，价带电子吸收光子能量而跃迁，产生电子-空穴对，即光伏特效应[7]。由于PN二极管的耗尽区两侧的电场分布趋于零，载流子扩散速度远小于通过空间电荷区的速度，因此影响了电子-空穴向N区、P区的漂移速度。为了加快载流子在P区、N区的穿越时间从而提高光电转换效率，一方面可以减小P区和N区的厚度。另一方面是在P区和N去之间加入一个高阻本征I区，形成P-I-N结构以达到扩宽耗尽区的目的。
2 石墨烯纳米带探测器建模与仿真
2.1 模型建立
结合P-I-N探测器的基本工作原理分析，本次设计了如图2所示的石墨烯纳米带横向结构模型，以达到提高石墨烯纳米带探测的探测灵敏度的目的。
当I区长度为8 μm，偏置电压为0.5 V，纳米带宽度分别为100，110，120 nm时，不同纳米带宽度和频率的光生电流响应特征如图3所示。由图3可以看出，当L=100 nm，入射波频率f=10 THz时，此时电流响应达到最大0.25 μA，光生电子的生产率G约为2.9×1032 m-3/s，随着纳米带宽度L的增加，入射频率f减小，相应的G也减小，对光生电流的影响就会增大。由图3中还可以看出，当入射频率处于非响应频带范围内时，会产生电流，但不会吸收光子能量，此时暗电流非常小，表明石墨烯纳米带探测器能够减小由热电子作用所引起的暗电流现象。
当L=100 nm，偏置电压为0.5 V，I区长度分别为8，10，12 μm时，不同I区长度的光生电流响应特征如图4所示。图4中，对应的响应电流最大值分别为0.184，0.212，0.228 μA。由此可知，随着I区长度的增加，空间电子电荷区面积会增大，光生载流电子渡越时间就变长，产生的光电流强度增大。但当I区长度继续增大时，空间电子电荷区扩大到整个I区，使载流子的渡越时间增大，导致光生电电流响应逐渐变小。
当L=100 nm，I区长度为8 μm，偏置电压分别为0.5，1，1.5V时，不同偏置电压的光生电流响应特征如图5所示。由图5可以看出，随着偏置电压的增大，空间电子电荷的面积会增大，光生载流子增多，产生的光生电流强度也会增大，但随着电压的持续增加，产生的载流子数量趋于饱和，最终光生电流强度会趋于稳定状态。研究结果表明，可以通过增大一定范围内的偏置电压强度来提高探测器的灵敏度。
3 结 论
本文通过分析纳米带隙调控特性及P-N探测器的基本工作原理，建立了石墨烯纳米带P-I-N横向结构探测器模型，并设定不同的纳米带宽度、I区长度及偏执电压等参数，利用有限元数值方法模拟仿真得出相应的光生电流响应曲线图谱。分析结果表明，石墨烯纳米带探测器能够减小由热电子作用所引起的暗电流，且产生的光电电流强度随纳米宽度增大而增大，而随I区长度的增大呈现先增大后减小的趋势，且随偏执电压的增大呈现先增大后稳定的趋势，依此优化石墨烯纳米带探测器的结构参数，为高灵敏度室温石墨烯探测器的研究奠定了基础。
参考文献：
[1] 范军领. 石墨烯传感器的研究进展[J].材料导报，2012，26（7）：31-35.
[2] 袁明文. 石墨烯基电子学研究进展[J]. 微纳电子技术，2010，47（10）：589-594. [3] 郑小青，冯苗，詹红兵. 石墨烯纳米带[J]. 化学进展，2012，24（12）：2320-2329.
[4] 焦小亮. 石墨烯制备与带隙调控的研究进展[J]. 材料导报，2012，26（3）：12-16.
[5] ODED H，SCUSERIA G E.Electromechanical properties of suspended graphene nanoribbons[J]. Nano Lett，2009，9：261-262.
[6] POPOV V V，BAGAEVA T Y，OTSUJI T，et al. Oblique terahertz plasmons in grapheme nanoribbon arrays[J]. Physical Review，2010，81（7）：073404.
[7] ZOHREH M. A DFT study of formaldehyde adsorption on functionalized graphene nanoribbons[J]. Physica E，2015，66：176-180.
[8] GHOSH N K. Study of the graphene nanoribbons within hubbard hamiltonian[J]. Armenian Journal of Physics，2013，2（6）：97-102.
[9] SALIMATH. Spin transport in bilayer graphene armchair nanoribbon：A monte carlo simulation study[J]. Electron Devices，2013，11（60）：3734-3740.
[10] KASSAEE M Z，MAJDI M，AREF RAD H. A theoretical quest for grapheme nanoribbons： effects of nitrogen substitution on the ground state alteration[J]. Monatshefte Fur Chemie，2012，4（143）：100-102.
[11] LI Y，PARK C H， SON Y W，et al.Quasiparticle enegies and ban gaps in graphene nanoribbons[J]. Physical Review Letters，2007，99（186801）：1-4.
Abstract： The optical response of graphene is extremely weak， restrict its application in the field of optoelectronics. This paper introduces the basic working principle of the detector based on graphene， graphene materials and energy gap of the regulation mechanism of a graphene nanoribbon detector structure model and mathematical simulation， analysis of the effects of nano belt width、 I length and the bias voltage on the response current， so as to optimize the structure parameters of the graphene nanoribbon detector. To lay the foundation for the research of high sensitivity of graphene at room temperature detector.
Key words： graphene； graphene nanoribbo； detector； simulation
（责任编辑：徐兴华）
关键词： 石墨烯； 石墨烯纳米带； 探测器； 仿真
中图分类号： TN 304.18 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2015）06-0087-03
0 引 言
随着电子器件和电子集成电路的微型化发展，促进了对纳米材料及其电子性能的研究。石墨烯具有优良的电学特性[1]、机械性能，使其成为新一代纳米电子器件的重要基础材料，但由于其光学响应极其微弱，制约了它在光电子学领域的应用。光电探测器是光电子学系统中不可缺少的重要部分[2]。本文首先研究了石墨烯材料的带隙调控特性，介绍了石墨烯探测器的基本工作原理，并建立石墨烯纳米带探测器结构及数学模型，通过采用有限元仿真软件对石墨烯纳米带探测器的几何尺寸、偏置电压、响应电流等结构参数进行仿真与优化，从而为高灵敏度室温石墨烯探测器的研究奠定基础。
1 工作原理
1.1 石墨烯纳米带隙调控机理
自从K. S. Novoselov和A. K. Geim突破传统物理观念，从实验室中成功制备出单层且稳定的石墨烯之后，这种新型的半导体电子材料引起了学者们的广泛关注。石墨烯作为功能材料，具有较好的发展优势，但是石墨烯的零带隙特性却制约了它在电子器件中大规模的应用。如何对石墨烯带隙进行有效地调控以打破石墨烯内部的对称结构，使其变为非导通，是解决这一问题的关键。常用的调控措施有单轴施压[3]、掺杂Si或P等杂质原子[4]、外加电场等方法。
结合密度泛函理论和石墨烯纳米级带隙的计算公式[6]，当石墨烯纳米带自带系数为1时，导带与价带之间的带隙大小表达式为
E=±（+）， （1）
式中：E为能量谱；Vf为石墨烯电子-空穴对的特征速度；P为纳米带电子-空穴动量；L为纳米宽度；m为有效质量。由此可知，当石墨烯处于纳米带时，E不为零，导带与价带之间存在有限带隙，即对石墨烯进行纳米带的剥离法能够解决石墨烯零带隙的问题。
1.2 石墨烯探测器的基本工作原理
PN光电二极管是一种结构简单的光电探测器，其基本原理是当PN二极管受到光照且光子能量超过材料禁带宽度时，价带电子吸收光子能量而跃迁，产生电子-空穴对，即光伏特效应[7]。由于PN二极管的耗尽区两侧的电场分布趋于零，载流子扩散速度远小于通过空间电荷区的速度，因此影响了电子-空穴向N区、P区的漂移速度。为了加快载流子在P区、N区的穿越时间从而提高光电转换效率，一方面可以减小P区和N区的厚度。另一方面是在P区和N去之间加入一个高阻本征I区，形成P-I-N结构以达到扩宽耗尽区的目的。
2 石墨烯纳米带探测器建模与仿真
2.1 模型建立
结合P-I-N探测器的基本工作原理分析，本次设计了如图2所示的石墨烯纳米带横向结构模型，以达到提高石墨烯纳米带探测的探测灵敏度的目的。
当I区长度为8 μm，偏置电压为0.5 V，纳米带宽度分别为100，110，120 nm时，不同纳米带宽度和频率的光生电流响应特征如图3所示。由图3可以看出，当L=100 nm，入射波频率f=10 THz时，此时电流响应达到最大0.25 μA，光生电子的生产率G约为2.9×1032 m-3/s，随着纳米带宽度L的增加，入射频率f减小，相应的G也减小，对光生电流的影响就会增大。由图3中还可以看出，当入射频率处于非响应频带范围内时，会产生电流，但不会吸收光子能量，此时暗电流非常小，表明石墨烯纳米带探测器能够减小由热电子作用所引起的暗电流现象。
当L=100 nm，偏置电压为0.5 V，I区长度分别为8，10，12 μm时，不同I区长度的光生电流响应特征如图4所示。图4中，对应的响应电流最大值分别为0.184，0.212，0.228 μA。由此可知，随着I区长度的增加，空间电子电荷区面积会增大，光生载流电子渡越时间就变长，产生的光电流强度增大。但当I区长度继续增大时，空间电子电荷区扩大到整个I区，使载流子的渡越时间增大，导致光生电电流响应逐渐变小。
当L=100 nm，I区长度为8 μm，偏置电压分别为0.5，1，1.5V时，不同偏置电压的光生电流响应特征如图5所示。由图5可以看出，随着偏置电压的增大，空间电子电荷的面积会增大，光生载流子增多，产生的光生电流强度也会增大，但随着电压的持续增加，产生的载流子数量趋于饱和，最终光生电流强度会趋于稳定状态。研究结果表明，可以通过增大一定范围内的偏置电压强度来提高探测器的灵敏度。
3 结 论
本文通过分析纳米带隙调控特性及P-N探测器的基本工作原理，建立了石墨烯纳米带P-I-N横向结构探测器模型，并设定不同的纳米带宽度、I区长度及偏执电压等参数，利用有限元数值方法模拟仿真得出相应的光生电流响应曲线图谱。分析结果表明，石墨烯纳米带探测器能够减小由热电子作用所引起的暗电流，且产生的光电电流强度随纳米宽度增大而增大，而随I区长度的增大呈现先增大后减小的趋势，且随偏执电压的增大呈现先增大后稳定的趋势，依此优化石墨烯纳米带探测器的结构参数，为高灵敏度室温石墨烯探测器的研究奠定了基础。
参考文献：
[1] 范军领. 石墨烯传感器的研究进展[J].材料导报，2012，26（7）：31-35.
[2] 袁明文. 石墨烯基电子学研究进展[J]. 微纳电子技术，2010，47（10）：589-594. [3] 郑小青，冯苗，詹红兵. 石墨烯纳米带[J]. 化学进展，2012，24（12）：2320-2329.
[4] 焦小亮. 石墨烯制备与带隙调控的研究进展[J]. 材料导报，2012，26（3）：12-16.
[5] ODED H，SCUSERIA G E.Electromechanical properties of suspended graphene nanoribbons[J]. Nano Lett，2009，9：261-262.
[6] POPOV V V，BAGAEVA T Y，OTSUJI T，et al. Oblique terahertz plasmons in grapheme nanoribbon arrays[J]. Physical Review，2010，81（7）：073404.
[7] ZOHREH M. A DFT study of formaldehyde adsorption on functionalized graphene nanoribbons[J]. Physica E，2015，66：176-180.
[8] GHOSH N K. Study of the graphene nanoribbons within hubbard hamiltonian[J]. Armenian Journal of Physics，2013，2（6）：97-102.
[9] SALIMATH. Spin transport in bilayer graphene armchair nanoribbon：A monte carlo simulation study[J]. Electron Devices，2013，11（60）：3734-3740.
[10] KASSAEE M Z，MAJDI M，AREF RAD H. A theoretical quest for grapheme nanoribbons： effects of nitrogen substitution on the ground state alteration[J]. Monatshefte Fur Chemie，2012，4（143）：100-102.
[11] LI Y，PARK C H， SON Y W，et al.Quasiparticle enegies and ban gaps in graphene nanoribbons[J]. Physical Review Letters，2007，99（186801）：1-4.
Abstract： The optical response of graphene is extremely weak， restrict its application in the field of optoelectronics. This paper introduces the basic working principle of the detector based on graphene， graphene materials and energy gap of the regulation mechanism of a graphene nanoribbon detector structure model and mathematical simulation， analysis of the effects of nano belt width、 I length and the bias voltage on the response current， so as to optimize the structure parameters of the graphene nanoribbon detector. To lay the foundation for the research of high sensitivity of graphene at room temperature detector.
Key words： graphene； graphene nanoribbo； detector； simulation
（责任编辑：徐兴华）