石墨烯在光电探测领域的研究进展_赵建红

(a)石墨烯的三维能带结构 (a) The 3D band structure of graphene 图2 石墨烯的能带示意图 Fig.2
(b)石墨烯的能量-波矢色散关系 (b) E-k dispersion relationship of graphene The energy band diagram of graphene
如光伏效应、光热电效应、辐射热效应和光子牵引 效应，其中光伏效应和光热电效应是半导体光电探 测器中光电流产生的主要机理[22]。 光伏效应[23]如图 3 所示，当入射光能量高于半导体吸收层带隙并照 射在耗尽层时，光被吸收并产生电子-空穴对。在开 路情况下，光生载流子依靠内建电场分离，外电路 没有电流产生，而是产生一个开路电压 Vg（图 3(a) 所示） 。在短路情况下（图 3(b)所示） ，分离的载流 子很快到达两侧电极，从而在外电路产生光电流， 检测光电流的变化就可以达到探测光信号的目的。 很多研究[24-26]也表明光热电效应（PTE）在石墨烯 光电转换机理方面起着重要的作用。Gabor[27]等对 双栅电压控制的石墨烯 p-n 结器件做了光电测量， 指出热载流子在光响应中占据主导地位。其原理如
Research Progress of Graphene in the Field of Photoelectric Detection
ZHAO Jian-hong1，SONG Li-yuan2，JI Rong-bin2，XIANG Jin-zhong1，TANG Li-bin2
(1.Department of Physical Science and Technology, Yunnan University, Kunming 650091, China; 2.Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)
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E F k
(2)
图1
石墨烯：基本结构单元
Fig. 1 Graphene: basic structure unit
1
1.1
石墨烯的特殊性质
能带结构 石墨烯是六角形晶体结构的二维零带隙材料， 每个晶格内有 3 个键，连接十分牢固，垂直于分 子平面的键在石墨烯导电的过程中起着很重要的 作用[8]。单层石墨烯的能带结构可用紧束缚模型加 以描述， 该模型的能量 E 与波矢 k 用下式表示[9-10]：
2 E 0 4cos2 πk y a 4 cos πk y a cos πk x 3a (1)
式中： 0＝2.8 eV 是最近邻跃迁能量； a 是晶格常数， 正、负号分别对应石墨烯能带的导带和价带，如图 2 所示[11-12]。第一布里渊区的 6 个顶点称为狄拉克 点，根据平移对称性，6 个点可以缩减为一对相互 独立的 K 和 K， 其导带和价带相交于费米能级且关 于狄拉克点对称。因此，在石墨烯中，电子和空穴 的性质相同。在狄拉克点附近区域，它的能量-波矢 色散关系是线性的，电子或空穴的有效质量为零[13]， 其线性色散关系可以表示为：
收稿日期：2014-02-27；修订日期：2014-05-01. 作者简介：赵建红（1988-），男，云南人，硕士研究生，主要从事纳米材料及光电器件研究。 通讯作者：项金钟（1963-），男，河南人，教授，博士，主要从事纳米材料的研究。 基金项目：云南省应用基础研究计划项目，编号：2012FA003。
摘要：石墨烯是一种具有零带隙、室温下极高的电子迁移率、极低的电阻率以及高的透光性等许多 独特性能的新型碳材料，关于石墨烯的相关研究引起了人们的广泛关注，其已成为凝聚态物理和材 料科学的研究前沿。简要介绍了石墨烯的能带结构和性质，重点讨论了石墨烯在光电探测领域的应 用及研究现状，指出了存在的不足并展望了未来的发展方向。 关键词：石墨烯；能带结构；迁移率；红外探测器 中图分类号：O471.5 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2014)08-0609-08
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石墨烯光电探测器的发展情况 在对石墨烯和金属接触界面认识的基础上， Xia[23]等人利用机械剥离法制得的石墨烯做成了第 一个石墨烯光电探测器，如图 5(a)所示。图中，Rg 表示石墨烯电阻，Cp 和 Cg 分别表示板间电容和石 墨烯电容，暗红色条带表示微波探头。在有无光照 的情况下分别对其电学性能进行测试，得到图 5(b) 所示 I-V 曲线。结果表明，在光照条件下，外电路 电流发生了明显的变化，即使在无外加偏压的情况 下，也有光电流产生，说明此器件可以用于光信号 检测。图 5(c)所示为光响应与调制频率的关系，内 嵌图表示光响应率与栅偏压的关系。可以看出，在 40 GHz 的调制频率范围内，光响应无衰退现象（1 dB 左右的衰退是微波探头引入的误差） ，并认为该 石墨烯探测器的理论带宽可高于 500 GHz。从内嵌 图可知， 光响应率在 20 V 栅偏压最小， 之后随着栅 偏压的增加而增大，测试得到了 80 V 偏压下 0.5
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赵建红等： 石墨烯在光电探测领域的研究进展
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2.1
石墨烯光电探测器
光电探测器的原理 石墨烯光电探测器实现光电转换的原理有很多，
图 4 所示，图中 D(E)是态密度，电场方向定义为电 子运动的方向，G1 和 G2 分别表示单层和双层石墨 烯。电子被激发以后，从价带到导带跃迁，它们可 以在近似飞秒的时间尺度内很轻松地通过发射光子 回到费米能级。因为 D2(E)＞D1(E)，又由于 G1/G2 的温度梯度的因素，热的自由载流子趋于从单层向 双层扩散，对于电子（空穴）掺杂的石墨烯，就会 产生一个反向（正向）的电流。 此外，热辐射效应[28]是指：在极低温度下，电 阻与电子温度有关，那么电阻就可以当作电子体系 的温度计， 局部温度升高将会影响掺杂层的电导率。 光子牵引效应 [29] 指的是，在经典电磁波频率范围 （光子能量 h≪kT，即能量很小的光子）内，当能 带中的自由载流子吸收了光子时，这些载流子相应 地从光子那里获得了一定的微小动量，于是这些载 流子便会往背光面运动。
Abstract：Graphene, a kind of advanced carbon material, has zero band gap, high electron mobility at room temperature, low electrical resistivity, high transmittance and many unique characteristics. Graphene related research works have widely aroused people’s attentions, which has become the frontier of condensed matter physics and material science. In this paper, the band structure and properties of graphene are briefly introduced, the application and research of graphene in photoelectric detection are mainly discussed, and the problems and prospect are pointed out. Key words：graphene，band structure，mobility，infrared detector 2010 年诺贝尔物理学奖揭晓[5-6]之后，人们对 石墨烯的研究和关注越来越多， 新的发现不断涌现。 1985 年英美科学家发现富勒烯 [1]和 1991 年日 本物理学家 Iijima 发现碳纳米管 ，加之英国曼 彻斯特大学科学家于 2004 年成功制备石墨烯 之 后，金刚石（三维） 、石墨（三维） 、石墨烯（二 维） 、碳纳米管（一维）和富勒烯（零维）组成了 一个完整的碳系材料“家族” 。从理论上说，石墨 烯是除金刚石外所有碳晶体的基本结构单元，如 果从石墨烯上“剪”出不同形状的薄片，进一步 就可以包覆成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳 米管，堆叠成三维的石墨，如图 1 所示 。由于 石墨烯优异的电学、热学、力学性能，近年来各 国科研人员对其的研究日益增长，已经是材料科 学领域的研究热点之一。
(a)开路情况 (a)Open circuit case 图3 光伏效应原理图 Fig. 3
(b)短路情况 (b) Short circuit case The schematic of photovoltaic effect
(a)P-N 结内建电场图；(b)热载流子在材料界面扩散；(c)实验装置和器件结构；(d)双层（左）和单层（右）石墨烯费米能级图 (a) The built-in electric field picture at a PN junction; (b) Hot carrier diffusions at a material interface; (c) The experimental setup and device geometry; (d) Scheme of Fermi level of bilayer (left) and single layer (right) graphene 图4 光热电效应原理图 Fig.4 The schematic of photothermoelectric effect
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石墨烯在光电探测领域的研究进展
赵建红 1，宋立媛 2，姬荣斌 2，项金钟 1，唐利斌 2
（1.云南大学 物理科学技术学院，云南 昆明 650091；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223）
[4] [3] [2]
0
引言
在不断深入研究石墨烯的制备方法和性质的过程 中，其应用领域也在不断扩大。由于石墨烯缺乏带 隙以及在室温下的超高电子迁移率、 低于银铜的电 阻率、 高热导率[7]等， 在光电晶体管、 生化传感器、 电池电极材料和复合材料方面有着很高的应用价 值；由于它很低的电阻率和极大的载流子迁移率， 人们很快发现了石墨烯在光电探测领域的潜能， 并 且认为将会是很具发展前途的材料之一。 本文从石 墨烯的能带结构出发， 综述了石墨烯在光电探测领 域的研究现状， 并展望了石墨烯光电探测器未来的 发展方向。
式中：F 是石墨烯电子的费米速度； 是普朗克常 数； k 是电子波矢。 这种关系类似于介质中的声子， 因此，在狄拉克点附近，由于受到晶格对称周期势 场的作用，载流子的有效静质量为零。石墨烯电子 － 的费米速度（～106 ms 1）达到了光速的 1/300，已 经显示出相对论特性，那么 K 点附近的电子性质用 狄拉克方程进行描述，而不是用薛定谔方程描述[14]。 1.2 光学性质 石墨烯的透光率极高，单层石墨烯可以吸收 2.3%的垂直入射光，反射光不到 0.1%，即透过率 约为 97.7%[15]，且吸收光的波长范围很广，覆盖 了可见和红外光，在 300～2500 nm 波段，吸收光 谱平坦[16]。另外，当光子能量达到一定条件时， 电子跃迁的速率大于能级间的弛豫速率，基态与 激发态之间的能级都被填满，同时价带也被空穴 填满，石墨烯对其的吸收会达到饱和，这种光学 行为称为饱和吸收[8]。利用这一性质，石墨烯可用 于超快速光子学，如光纤激光器等。 1.3 电学性质 单层石墨烯的载流子迁移率 [17] 达到 200000 － － cm2V 1s 1 ，碳纳米管的载流子迁移率 [18] 也只有 － － 100000 cm2V 1s 1，n 型 Si 的电子迁移率[19]仅为 － － 1400 cm2V 1s 1，不到石墨烯电子迁移率的 1/100。 石墨烯载流子迁移率主要受基体声子散射的影响， 几乎与温度无关，马里兰大学的研究人员[20]称，在 50 K 和 500 K 之间测量单层石墨烯的电子迁移率， 发 现 无 论 温 度 怎 么 变 化 ， 其 值 大 约 都 是 15000 － － － cm2V 1s 1。石墨烯的电阻率[21]约为 10 6 cm，比 已知电阻率最小的银还小。是如今室温下导电性最 好的材料。