新型石墨烯光电晶体管：有望用于检测辐射！

导读

开发基于石墨烯的高灵敏度光电探测设备，目前存在一些技术障碍。然而美国普渡大学的研究人员将石墨烯和碳化硅基质相结合，设计出了新型石墨烯场效应管，有望跨越这一障碍，并广泛应用于高速通信、超灵敏摄像头、可穿戴设备、辐射检测等领域。

技术关键字

光电、石墨烯、晶体管

研究背景

「石墨烯」，是一种非常典型的二维材料。从结构上来讲，石墨烯是由一层碳原子组成，具有蜂巢结构的单层薄片。正是由于特殊的结构，石墨烯在导电、导热、强度、稳定性等方面，都表现出极其优秀的特性，应用领域十分广泛。

（图片来源于: 普渡大学）

然而，对于光电器件来说，石墨烯的单层碳原子结构的价值也十分巨大。所以，研究人员一直都在努力尝试开发基于石墨烯的光电探测器。在许多的工业应用中，光电探测器都起到了至关重要的作用。

可是，目前开发基于石墨烯的高灵敏度的光电探测器存在以下的瓶颈：

由石墨烯制成的光电探测器，只有很小一部分能够感光，这一点限制了它的性能。

对于这个瓶颈，我们可以参考研究论文作者之一 Jovanovic 教授的说法：

“目前，在典型的基于石墨烯的光电探测器中，光响应只来自于石墨烯附近特殊的位置，这个区域比器件的尺寸小很多。然而，对于许多光电器件应用来说，需要在更大的区域获取光响应和位置敏感度。”

创新探索

介绍这项创新之前，我们还是先了解一下相关的论文和研究团队。

（图片来源于: Erin Easterling/普渡大学）

研究论文发表于这周的《自然纳米技术》杂志。研究的主要参与者来自于普渡大学、密歇根州立大学和宾夕法尼亚州立大学。

论文作者有普渡大学物理学、天文学和计算机工程学的教授，普渡量子中心的主任 Yong Chen、密歇根州立大学核能源工程和放射科学的教授 Igor Jovanovic、前普渡大学博士研究助理 Biddut K. Sarker、前宾夕法尼亚州立大学研究生 Edward Cazalas、普渡大学研究生 Ting-Fung Chung、前普渡大学研究生 Isaac Childres。

根据陈（音译）教授的说法，他们的基本方案如下：

将石墨烯和一种比它大很多的「碳化硅基质」相结合，制造出「石墨烯场效应晶体管」，简称（GFET，G代表graphene，FET代表Field Effect Transistor），它可以受到光线激活。

（图片来源于: 普渡大学）

关键技术

对于这项创新的关键技术点，陈教授说：

“这是首次有人展示利用位于大片碳化硅晶片上的小片石墨烯，完成非局部的光电探测，这样光线不需要照射石墨烯本身。这里，光线可以照射更大的区域，几乎达到一毫米，这是前所未有的。”

在碳化硅和石墨烯的背面之间，会有施加一个电压，从而在碳化硅中建立一个电场。入射光线在碳化硅中产生「光生载流子」。

（图片来源于: Erin Easterling/普渡大学）

Jovanovic 教授解释道：

“半导体提供了一种和光线交互的媒介，当光线进来的时候，器件的一部分变得导电，这样改变了作用于石墨烯的电场。”

这种电场的变化，也导致了石墨烯本身的导电性的变化。这种方法被称为「场效应光电探测」。

碳化硅是“无掺杂的”，这点和基于硅晶体管传统的半导体不同。这种“无掺杂”使得材料成为一种绝缘体，除非它暴露于光线的情况下，才使得它变得部分导电，改变石墨烯上的电场。

创新价值

高性能光电探测器，对于高速通信、天体物理学使用的超敏感摄像头、传感、可穿戴电子设备等应用来说，具有十分高的价值。基于石墨烯的晶体管阵列，会带来高分辨率的成像和显示。

（图片来源于: 普渡大学）

这项研究中，当碳化硅在离石墨烯很远的地方被光线照射时，该器件也会对于光线作出响应。根据材料被照射的部分，性能最高可以提升10倍。这种新的光电晶体管也是「位置灵敏的」，也就是说，它可以判断光线照射的位置，这对于成像和探测器的应用来说十分重要。

另外，Igor Jovanovic 教授说：

“对于大多数摄像头来说，你需要很多的像素点。然而，我们的方案将带来一种非常灵敏的摄像头，你只需相对较少的像素点，还可以拥有较高的分辨率。”

应用价值

这项研究有利于开发出基于石墨烯的新型传感器，这种传感器可用于检测辐射。陈教授说：

“这篇特殊的论文涉及检测光子的传感器，但是原理和检测其它类型的辐射一样。我们使用这种灵敏的石墨烯晶体管，检测由辐射量子引起变化的电场，这个案例中是光线，和碳化硅基质进行交互。”

光线探测器可以用于一种称为闪烁计数器的设备，它被用于检测辐射。电离辐射会产生短暂的闪光，在闪烁计数器中，它会被一种称为「光电倍增管」的器件检测到，这已经是上个世纪的老技术了。

Jovanovic 教授说：

“所以，对于开发基于半导体的先进器件，能够完成同样的功能，大家有着很多兴趣。”

未来展望

目前，研究人员也通过数学模型解释了这项研究成果。晶体管在普度大学探索公园的Birck 纳米技术研究中心制造。

未来的研究也将包括拓展例如闪烁计数器、天体物理成像技术、高能辐射传感器等方面的应用。

参考资料

【1】http://www.purdue.edu/newsroom/releases/2017/Q2/graphene-phototransistor-promising-for-optical-technologies.html

【2】https://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2017.46.html

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