"雪花状设计"使石墨烯光电压提升10倍，实现超快速光检测

DeepTech深科技 CINNO 2018-08-05

所谓分形，是指人们将相同的图案、样式在越来越小的空间上进行无限次的重复。研究人员发现，通过采用类似于雪花形状的分形设计，能够打破石墨烯本身固有的低光学吸收限制，从而显著提升其光学吸收能力。该研究结果使石墨烯光电检测器的光电压提升了整整一个数量级，并能够实现超快速的光检测。

石墨烯光电探测器的示意图。该探测器的黄金触点具有类似雪花形状的分形图案。相比于采用平面边缘的石墨烯光电探测器，这一设计能够带来更高的光学吸收率，并可以将光电压提升10倍。

来自印第安纳州普渡大学的研究员：方洁然（音译，Jieran Fang）、王迪（音译，Di Wang）和指导教授艾利克斯·基尔迪舍夫（Alex Kildishev）、亚历山大波尔塔舍瓦（Alexandra Boltasseva），瓦拉德舍拉维夫（Vlad Shalaev）以及陈永平（Yong. P Chen）教授所在的研究团队，在最近的一期的《纳米快报》（Nano Letters）上，发表了一篇关于新型石墨烯光电探测器的分形设计的论文。

光电检测器是一类将光子转换成电流，从而实现光检测的装置。其应用十分广泛，其中包括：X射线望远镜、无线鼠标、电视遥控器、机器人传感器和摄像机等等。目前的光电检测器通常由硅、锗或其他常见半导体制成。但近几年来，研究人员们一直在探究能否利用石墨烯来制造光电检测器。

虽然石墨烯具有许多十分惊人的光学与电学性质，例如均匀的超宽带光学吸收能力以及超高的电子移动速度等。但是，由于石墨烯的厚度仅为一个原子，因而其本身的光学吸收性能十分低下，这也是其无法被广泛用于光电探测器的主要原因之一。

为了解决石墨烯的光学吸收性能低下这一难题，普渡大学的研究人员设计了一款带有金触点的石墨烯光电探测器。这些触点的独特之处在于：它们具有外观与雪花形状颇为相似的分形结构。研究人员表明，与平面的金 - 石墨烯相比，拥有分形图案的边缘能够达到一举两得的效果：在更宽的频率域内更加有效的收集光子。相较于前者，这一新的设计能够产生其10倍的光电压。

令人欣喜的是，新型石墨烯光电检测器的优点还远不止于此。该检测器的其他优点还包括：能够响应任何偏振角的光线。而这一优点与上一代石墨烯光电探测器形成了鲜明的对比——传统的光电探测器基于等离子体增强，其敏感度与偏振角息息相关。

这一新型石墨烯光电探测器同时还拥有非常宽广的带宽，从而提升了它在整个可见光谱上的光检测能力。不仅如此，由于石墨烯内部的电子具有非常高的运动速度，新的光电检测器还可以实现十分快速的光检测。

王迪博士介绍说：“在这项工作中，我们解决了一个十分重要的问题，即通过设计一个智能的自相似的等离子体分形超颖表面，使得原本并不灵敏的石墨烯光电探测器能够用于检测很宽范围内的光谱，而且这种探测能力还与光线的偏振角度无关。据我们所知，这两个属性在之前的等离子体增强石墨烯光电探测器中从未有过报道。”

研究人员解释说，这些特性直接与分形图案有关。

类似于雪花形状的分形设计，以及黄金分形超颖表面电场模拟的示意图

基尔迪舍夫说：“我们提出的分形超颖表面具有复杂和高度六边形对称的几何形状，因而具有能够支持等离基元在宽光谱范围内共振（自由电子振荡）的独特能力，而且这种共振与偏振方向无关。之前报道过的等离子体增强的石墨烯电探测器，使用的则是更为简单的窄带和偏振敏感结构，因此产生的增强效果也是如此。”

正如之前的研究所指，分形图样之所以能够改善光学吸收，其主要原因在于：分形的超颖表面能够产生额外的共振，而且共振的数量随着分形级数的增加而增加。此外，研究人员们还发现，分形的超颖表面对于轰击表面的光而产生的电场起到了限制和增强效果。这也最终使得这一新型的石墨烯光电检测器能够产生较高的光电压。

基尔迪舍夫进一步解释道，在这类基于石墨烯的光电探测器中，光电压的产生主要依赖于两种机制：光伏效应和光热电效应。光伏效应利用石墨烯中不同掺杂区域诱发的内建电场，分离石墨烯中的光激发空穴与电子对。而另一方面，当石墨烯内部两个不同区域存在温度梯度时，光热电效应能够驱动这两个具有不同热电功率（塞贝克系数）的区域里的自由电子。

通过增加电场强度以及利用在高度受限空间中的入射光加热效应，分形的超颖表面可以有效地增强石墨烯光电检测器中上文所述的两种效应。

基尔迪舍夫说道，“通过等离子体共振，即在光激发作用下金内部电子的自由振动，具有分形特征的超颖表面可以提升光电压。而光电压的提升将电磁能量限制在一个十分微小的体积之内，从而在石墨烯内部产生了过量的电子-空穴对，随后这些电子空穴对在光电效应的作用下实现了分离。与此同时，入射光也会加热等离子体结构，从而在金属/石墨烯结构上形成了非常大的温度梯度界面，并带来了更为显著的光热电相应。”

在不远的将来，研究人员们将计划探索石墨烯光电探测器的其他潜在应用。这可能意味着从光电探测到光捕获的跨越，从而能够应用于太阳能电池和光学加热。由于石墨烯光电检测器所具有的超快操作速度，这将为那些需要快速响应的应用技术带来质的飞跃。

王迪博士在其论文中提到：“石墨烯光伏/光电检测器的一个优异属性在于，它能以非常快的速率对光线作出响应。这一特点主要是由于石墨烯中电子具有超快的移动速度（光伏效应）和极短的热量散发时间（光热电效应）。这种响应速度是其他光电探测材料无法比拟的。”

等离子体增强石墨烯光电探测器对于全光调制器的输出和其他响应速度的应用中负有盛名。除此之外，石墨烯还具有零（或可调谐）的禁带（指晶体中相邻两能带间的能量范围），以及在整个电磁光谱上均匀的光学吸收能力。因此，石墨烯光电检测器原则上可以实现以相同的敏感度检测任何频率的光线，这也是由其他光电检测材料制成的其他检测器所无法比拟的。

编辑：胡仲略