新型石墨烯光电晶体管:有望用于检测辐射!

石墨烯联盟2018-06-25 07:19:38

石墨烯联盟:CGIA2013

  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。


文章转载自:微信公众号IntelligentThings

作者:John


  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。



来源:IntelligentThings

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