不同響應機制下的石墨烯基光電探測器研究進展

張翼鵬， 王 雪， 紀佩璇， 趙 健， 張凱敏， 李 睿， 于凱丞， 田 昊， 馬 雷

(天津大學 天津納米顆粒與納米系統國際研究中心， 天津 300072)

1 引 言

光電探測器基于光電效應能夠將光信號轉換為電信號從而被廣泛地應用于視頻成像、光通信、生物醫學成像和運動檢測等方面。在傳統硅基光子學中，光電探測器溝道材料多為硅[1]、鍺[2-3]或Ⅲ-V化合物等半導體[4-5]，然而這些材料在實際應用中都存在一定的局限性。以傳統硅基光電探測器為例，其在電信波段的光子能量通常不足以直接進行光探測[1]。因此，人們通過摻雜制備了硅摻雜肖特基光電探測器[6]，相較于本征硅，該器件在1 550 nm(電信波段)入射光波長下的響應度有了較大的提高(超過1.2 A·W-1)。但由于同時產生的暗電流也較大，所以限制了它的探測度。對于Ⅲ-V半導體基探測器來說，雖然它們具有優良的工作特性，但由于器件制造中的晶格失配和材料熱系數不同等問題，也限制了通過引入電復合中心或光散射中心來提高器件性能的方法在該體系的適用性[4-5]。此外，在硅晶片上直接集成Ⅲ-V光電探測器仍面臨很多困難，類似的問題也在鍺光電探測器領域存在[2-3]，因此，尋找更好的光電材料對高速光電探測器的發展尤為重要。

二維材料作為一種極具潛力的光電子材料為高性能光電子器件的開發提供了新的材料平臺[7-8]。其中又以石墨烯最具代表性，其主要原因在于石墨烯具有很高的載流子遷移率(高達15 000 cm2·V-1·s-1[7])，所以原理上講以它為工作介質的光電探測器相比于其他二維材料應該能夠產生更強的電學信號以及具有更快的光電轉化速率。此外，由于其獨特的零帶隙結構使得通過光激發電子從價帶躍遷到導帶所需的能量幾乎為零[9]，因此絕大部分波段的入射光都應該能在石墨烯中產生一定強度的光電流，從而可將石墨烯應用于包括紫外(<400 nm)[10]、可視(400～760 nm)[11]、近紅外(760～1 100 nm)[12]、短波紅外(1 100～2 500 nm)[13]、中波紅外(3 000～5 000 nm)[14]、長波紅外(7 000～14 000 nm)[15]和太赫茲(0.3～3.0 THz)[16-17]等多個波段。雖然石墨烯具有非常寬的吸收光譜范圍，但是對不同波長光的吸收率差異性非常大[18-19]。所以，目前人們所制備的石墨烯基光電探測器往往只對某一段或者某幾段波長的入射光較為敏感，由此在一定程度上限制了器件的應用范圍。基于此，有研究人員想到了摻雜[20-21]或器件結構設計[22]的方法來嘗試提高石墨烯對低吸收率光波段的響應，并取得了一定程度的成功。此外，由于石墨烯具有化學鈍化的特性，可以與已經頗為成熟的硅基電子學和光子學技術相兼容，所以在大規模集成電路方面有著較為廣闊的應用前景[23]，這也為光電轉換的后續處理奠定了基礎。

綜上所述，石墨烯基光電探測器的性能具有很大的提升空間，但同時也面臨著一系列技術問題。除了可探測的波長范圍較窄外，由于單層石墨烯本身只有一個原子層的厚度，所以對入射光吸收率也只有2.3%，因此在一些情況下無法達到光電探測器所需要的基本指標[24]。此外，雖然利用摻雜的方式可以在很大程度上提高對某些波段的吸收效率，但也同樣會降低石墨烯的載流子遷移率[20-21]，因而對石墨烯光電探測器的響應速度帶來了不利的影響[25-26]。對于新興的太赫茲波段入射電磁波而言，外界的溫度還會對太赫茲器件的響應度及噪聲等效功率產生顯著的影響[17]。此外，如果在石墨烯基光電探測器的設計上過于依賴傳統的光電晶體管結構，也會不可避免地出現比半導體基源極柵極還要大的漏電情況，由此而產生的器件暗電流所帶來的自加熱也會進一步降低此類器件的可靠性[7]。所以，為了優化上述光電探測器的“固有”指標，研究者通常需要從器件結構改進方面入手，但同時還必須考慮石墨烯基光電探測器的制造成本問題。一般來說，作為一個有效的石墨烯基光電探測器，必須要滿足低成本、環境友好、可快速大量制備等要求，其次器件還必須能夠小型化且具有和其他半導體集成的能力。對于光電探測器而言，小型化在一定程度上意味著“固有”指標的降低，比如光響應度等。如下文所述，小型化也會對于特定響應機制下的器件其他的功能造成影響。特別是對于需要靠波導來增強光吸收的器件而言，小型化也意味著更低的吸收度和更為復雜的加工工藝，這無疑會進一步增加制造成本。因此，在制備石墨烯基探測器過程中需要合理設計結構以保證其性能和成本需求。

如大家所熟知的，不同的響應機制影響到器件結構的設計。當前石墨烯基光電探測器主要有五種結構：傳統單柵控結構[11,20-21]、雙柵控結構[27]、石墨烯懸浮結構[28]、量子點混合結構[29-30]和基于等離子體共振的陣列集成結構[14,31-55]。此外，還有除上述五種結構的其他結構[56]。但無論何種設計，其原則都是為了盡可能發揮主要響應機制，抑制非主要響應機制[22]。在實際工作中，研究者往往會在同一結構設計中引入多種機制來滿足實際需要[57]。比如，就提升響應度對結構依賴性很強的光柵控機制和等離子體輔助機制的光探測器設計而言[58]，不論是引入量子點還是加入集成陣列方式的應用，雖然都能夠提高器件的響應度，但也都不可避免地在一定程度上對石墨烯結構造成破壞，所以也降低了石墨烯的載流子遷移率和石墨烯基光電探測器響應速度[16]。同時，對于能量較低、波長較長的中波紅外、長波紅外、太赫茲光而言，這種犧牲響應速度來換取響應度地設計也反映了當前石墨烯光電探測器的局限性[59]。

在光伏效應、光熱電效應、光輻射熱效應這三種相對不依賴于器件結構的響應機制中，光伏效應是能最大限度保證除響應度以外其他各類指標的響應機制[60]。主要原因在于光伏效應是石墨烯最基本的光電響應機制，在無人為加工的前提下，光伏效應總是占主導地位，而其余效應的應用則需要同其競爭[22]。在利用光伏效應的器件開發中，通過柵控來調節費米能級以便形成穩定的光電流[61]。但是，光伏效應較低的響應度又往往限制了其應用，尤其是在高波段范圍[58,62]。為此，研究者將目光投向了光生熱機制的應用，寄希望于利用光生熱來提高響應度[63]。2011年，研究人員首次研制出了利用光輻射熱和光熱電效應的石墨烯基光電探測器[64]。然而，無論是采用雙柵控結構打開帶隙從而最大限度地利用光輻射熱效應[15]，還是采用石墨烯懸浮結構來盡量減少襯底對熱載流子的影響從而最大限度地利用光熱電效應[28]，對響應度的提高作用都很有限。為此， 2012年研究人員發明了采用量子點混合結構產生電子-空穴對的方法，通過該方法的應用實現了光響應度的顯著提高[29]，并在此基礎上又通過引入等離子輔助陣列集成結構成功地部分解決了長波段光響應的問題[14,31-55]。

無論是器件本身性能指標上的不足，還是生產工藝上的高成本，都對石墨烯基光電探測器的發展提出了重大挑戰。而問題的根本原因還是在于實際開發中基于某一需求所開發的石墨烯基光電探測器往往存在多種光響應機制，恰恰是這些響應機制的互相競爭反而會導致產品無法達到所需性能要求。盡管目前已有許多關于改善石墨烯基光電探測器總體性能的報道，但基于不同響應機制來提升整體光電探測器性能的綜述卻不多見。所以，本文從光伏、光熱電、光輻射熱、等離子波輔助、光柵控效應和光電導效應六種基本的物理機制入手，總結了不同響應機制下石墨烯光電探測器的最新進展，并對等離子波輔助、光柵控效應的器件結構設計進行深入探討。

2 石墨烯基光電探測器

由于石墨烯具有獨特的光學吸收特性、高遷移率等優點，在光電器件領域具有非常大的應用潛力。根據石墨烯基光電探測器的不同響應機制，我們可以制備出具有不同性能的光電器件從而更好地適應于不同領域。如上所述，石墨烯基光電探測器的響應機制主要有光伏效應、光輻射熱效應、光熱電效應、等離子波輔助、光柵控效應和光電導效應等[65]，下面我們將詳細地介紹不同響應機制對應的石墨烯基光電探測器的研究進展。

2.1 基于光伏效應的石墨烯基光電探測器

光伏效應是指一種材料在光照下產生電流或者電壓的過程。石墨烯具有靜電摻雜后的可調性、大電荷載流子濃度、低耗散率、高遷移率以及可將電磁能量限制在前所未有的小體積內等優點。因此，相較于其他二維材料，它在光伏應用方面應具有較大的優勢[18]。

典型的基于光伏效應的石墨烯基光電探測器結構由兩個電極搭載中間的石墨烯溝道組成,其中溝道材料可以采用機械剝離的石墨烯。在此基礎上通過電子束曝光和真空金屬蒸鍍以及標準的剝離工藝制備出金屬電極(0.5 nm/20 nm/30 nm: Ti/Pd/Au)，最后由反應離子刻蝕圖案化石墨烯溝道。背柵介質層為90 nm厚的SiO2層，一般在測試之前需要通過真空50 ℃退火消除吸附[21]。在石墨烯溝道中，由于入射光子激發產生光生電子-空穴對[11,20-21]，然后電子-空穴對在內電場作用下分離形成光生電子，光生電子在外部偏置電壓的調制下形成光電流[18,25,66-67]，如圖1所示。

圖1 具有不對稱金屬電極的金屬-石墨烯-金屬(MGM)光電探測器。中心：MGM光電探測器的三維示意圖，右下角：MGM光電探測器掃描電子顯微鏡圖片。插指電極之間的間隙為1 mm，插指寬度為250 nm[13]。

2009年，Xia等提出了利用光照下石墨烯-金屬結界面處產生的p-n結來實現光伏效應的設計思路[11]，并在2010年成功地設計出基于該原理能在近紅外和可視光范圍內工作的光電探測器[13]，其中在1 550 nm入射光波長下響應度為6.1 mA·W-1。為了克服響應度低的缺點，Svechnikov等提出采用雙層石墨烯作為溝道來增強其吸光率進而提高響應度的方法[68]。但使用雙層石墨烯在提高器件吸光度的同時也降低了載流子遷移率，進而減小了光電流和響應度(光電流Iph=AVqμΔn[22]，響應度Rph=Iph/Pin，其中A為作用層的橫截面積，V為施加偏壓，q為單位電子電荷，μ為電荷載流子遷移率，Δn為光致載流子密度)。光電探測器的工作原理一般是通過半導體材料吸收光子產生額外的自由載流子(即光生載流子)，載流子吸收能量發生移動從而提高了材料的電導率。這里響應度的定義為：單位入射功率下產生的光電流Iph或者光電壓Vph與入射光功率Pin的比值。由此可知提高材料的吸光率可在一定程度上提高器件的響應度。Wang等在2013年設計了單層石墨烯/硅異質結波導光電探測器，該設計的特點是在保證載流子遷移率的同時通過引入波導來提升吸收率[69]。實驗結果為：對于1 550 nm入射光波長，探測器響應度為0.13 A·W-1，這一結果比之前提高了至少一個量級，表明了增強吸收率對增強響應度的重要性。本實驗中懸浮薄膜波導和聚焦亞波長光柵耦合器是在SOI晶圓上制備完成的，其制造工藝同CMOS工藝兼容。其中制作流程主要包括周期孔和光柵耦合器的全刻蝕以及rib波導的淺刻蝕工藝獲得響應的圖形化。最后，在5∶1的水∶HF(48%～51%濃度)溶液中攪拌90 min，去除埋氧層從而制備懸浮膜結構[69]。

除了通過提高吸收率來增強光響應度外，調節費米能級的高低同樣可以有效地調節光伏效應，因此采用局域摻雜來調節費米能級以增強其光伏特性的方法近年來被廣泛地使用[57]。Nan等通過對石墨烯不同部分進行N型摻雜和P型摻雜，在整個石墨烯覆蓋區域形成一個較大的“P-N結”[57]。利用擴大光電流在整個器件的產生區域提高器件的利用效率。在此基礎上，通過調控不同類型摻雜區域面積比、柵壓大小、摻雜層厚度等方法，在不需要犧牲響應速度的前提下，實現了器件在入射光為300 nm～6 μm波段均可工作的目標。需要注意的是，這項工作中同時應用了三種效應，即光伏效應、光熱電效應、光輻射熱效應，并且光伏效應和光熱電效應均對響應度、響應速度指標的提升作用顯著。

為實現光伏效應零偏壓下的光子檢測，需要極高的歸一化光電流與暗電流之比(NPDR)、低能耗以及極低的暗電流引起的暗電流散粒噪聲。利用石墨烯同其他二維材料形成的異質結可以制備出暗電流極低(這意味著更好的探測度)的光電傳感器，而這也正是近年來在光伏效應下石墨烯基光電探測器領域研究者工作的重點之一[10,70-71]。2021年，Feng等通過將單層石墨烯集成在硅基納米柱陣列上，成功地實現了暗電流有效抑制，同時在接近零偏壓時做到了盡量小的光電流衰減，為此成功地顯著提高了比探測率(圖2)[72]。

圖2 基于單層石墨烯覆蓋的硅納米柱陣列光電探測器簡圖[72]

光伏效應是這六種機制中最早被應用于石墨烯光電探測器的機制，然而由于其響應不僅依賴于入射光激發形成的電子空穴對，而且還依賴于外加柵壓對光生電子空穴對的分離效果，所以對入射光波段要求很高，這就在很大程度上限制了其在大波段范圍內的應用。盡管2014年Nan等采用靜電摻雜的方案兼顧了響應波段范圍、響應度及響應速度等因素，但也引入了其他響應機制，而這正反映了基于純光伏效應的石墨烯基光電探測器的局限性[57]。此后，研究人員將目光轉到優化光伏效應下石墨烯基光電探測器的其他性能指標，如光暗電流比、等效噪聲功率等。這些研究成果有望被應用于同其他機制并存的光電探測器結構的設計中。

2.2 基于光輻射熱效應下的石墨烯基光電探測器

由入射光子產生的熱量導致溝道電導發生變化的現象稱為光輻射熱效應。2013年，Freitag等嘗試制備了室溫下基于光輻射熱效應的石墨烯基光電探測器(如圖3所示)[62]，其工作原理是在石墨烯場效應晶體管的一個漏電極上施加VD=-1 V電壓的同時，再通過施加背柵靜電調控石墨烯摻雜程度。當樣品上掃描波長為690 nm的斬波和聚焦激光束時，使用參考斬波頻率的鎖相放大器可以同時獲得光電流幅度和相位(圖3)。雖然波段范圍覆蓋了可視光和全波段紅外光，但是即使在可見光波段(690 nm)，其響應度也只有0.13 A·W-1，甚至比最初開發的基于光伏效應的光電探測器還至少要小一個量級。2012年，Yan等受到石墨烯-鋁隧道結測輻射熱計結構的啟發，發現在低溫下(5 K)采用雙柵控結構的雙層石墨烯不但可以提高在可見光波段(658 nm)下的響應度(105V·W-1)，還能降低等效噪聲功率(33 fW·Hz-1/2)[15]，并且響應波段寬，即使在長紅外波段依舊具備良好的光響應度。該結構對超導隧道結的開發具有參考價值[73]。其中雙層石墨烯采用機械剝離法制備，并轉移到具有300 nm厚的SiO2硅片上，電子束曝光和熱蒸鍍圖案化金屬電極(5 nm Cr/100 nm Au)，在濺射SiO2作為頂柵介質之前，使用電子束曝光的氫硅氧烷保護石墨烯[15]。

圖3 激光波長為690 nm的光電探測器設置示意圖。激光強度P=220 mW，束斑直徑d≈700 nm，斬波頻率f=1.1 kHz[62]。

傳統的紅外光電探測器是由Ⅲ-V族半導體構成，吸收光子的能量與其帶隙相匹配，吸收光的強度大小決定了輸出電流的強弱。而下一代紅外光電探測器系統需要具有寬的吸收帶、快速響應和易于與硅集成的新材料的特點以滿足寬帶檢測的需要。同時，越來越多的領域要求光電探測器滿足輕質、可彎曲、柔性和透明的要求，從而能夠更好地應用于手機、曲面數碼相機、大面積可折疊顯示器和其他電子系統等方面。由于具有機械強度大、拉伸性高的特點，石墨烯可以很好地用于制作柔性材料，并且由于單層石墨烯的厚度僅有0.35 nm，所以非常適合用于電子和光電子器件領域[57]。

圖4 器件的彩色SEM俯視圖，紫色部分為石墨烯，黃色部分為金屬電極，粉色部分為未刻蝕硅，比例尺為10 μm[75]。

2019年，Abdel等進一步闡釋了輻射熱效應，并提出柵控的作用是為了在狄拉克點處打開帶隙，進而使得熱阻值隨著電子溫度變化而變化[63]，進而加深了人們對光柵控效應的理解。

綜上，基于光輻射熱效應下的石墨烯基光電探測器的優勢在于響應波段寬、高靈敏度及低等效噪聲功率，這得益于其小的熱容和弱電子-聲子耦合作用。當前對于該機制的機理有待進一步探究。

2.3 基于光熱電效應下的石墨烯基光電探測器

光熱電效應可拆分為光熱轉換和熱電效應。如圖5所示，入射光照射在器件的某一側，器件在吸收這一側的光子后升溫，與另外一側形成溫差(ΔT)，從而驅動電荷載流子從熱端到冷端發生定向擴散，形成電位差(ΔU)。這個過程被稱為塞貝克(Seebeck)效應(熱電效應)，其中塞貝克系數被定義為ΔU與ΔT的比值[77]。

圖5 光熱電效應下光電轉化過程示意圖[77]

2011年，Lemme等首次制備出了基于光熱電效應的光電探測器[64]。他們利用頂柵電極條帶將石墨烯分為左右兩個部分，通過施加柵壓來調控頂柵左右兩邊的塞貝克系數差異，再通過可見光掃描光束產生溫度差異(如圖6所示)。結果顯示其最高響應度只有不到1 mA·W-1。相比于2009年Xia等[11]制備出的首個基于光伏效應的光電探測器，其在響應度方面較低(Rth=6.1 mA·W-1)，但是在量子效率方面(內量子效率(IQE)=35%，外量子效率(EQE)=2.5%)要比前者(IQE=10%，EQE=0.5%)高出數倍，這表明基于光熱電效應的石墨烯基光電探測器仍具有很大的發展空間。

圖6 基于光熱電效應下的頂柵石墨烯光電探測器器件簡圖[64]

為了保證不同區域的溫度免受基底的干擾， 2013年，Freitag等將事先對不同區域進行不同類型摻雜的石墨烯作為溝道材料[28]，并將石墨烯懸空以減少基底對石墨烯光電特性的影響。結果發現，響應度最高值出現在P摻和N摻區域的結合部分，約為7.5 mA·W-1，相比于之前Lemme等[64]的結果有了顯著的提高，但響應范圍還仍局限于可見光波段。為了提升在長波段的響應度，研究者們又提出了使用混合結構來提升增益的方法[78]。該結構在后文提到的光柵控效應中得到了廣泛應用，但不可避免地會犧牲載流子遷移率，降低響應速度。

2014年，馬里蘭大學Cai等采用非對稱電極結構成功地將石墨烯光熱電探測器的室溫光譜響應擴展到太赫茲波段，并兼顧了響應度和響應速度[17]。通過設計能帶不同的彎曲程度，得到不對稱的塞貝克系數分布。金屬電極可以作為冷端，產生溫度梯度，最后可以得出一個非零的開路光電壓。在波長為119 μm的光照下，光響應度為10 V·W-1，同時測量了1.54 μm紅外輻射的光響應。盡管由于熱載流子能量弛豫過程中光學聲子散射的緣故，其響應度相對較低(～0.25 V·W-1)，但仍然表明探測器在該波長下可以工作。此外，研究人員在完全懸浮石墨烯的基礎上，施加雙柵控電壓，實現了基于光熱電效應下的石墨烯基光電探測器在微波[79]到近紅外波段[80]有效響應的目標。

除了利用石墨烯不同區域的塞貝克系數差異產生光電流外，從微觀上來看，當石墨烯的溝道長度遠大于熱載流子冷卻所需的長度時，熱載流子的擴散也可由晶格中的溫差驅動，進而產生光電流。2014年，麻省理工學院Herring等[81]證明，當溝道長度約為200 μm時，晶格梯度光熱電效應起主要作用。在這種情況下，可以使用具有高光吸收度和低熱導率的襯底來提高石墨烯熱電偶的響應度。為此，Hsu等[82]設計了一種石墨烯熱電堆，具體方法是使用STS-PECVD法在300 ℃下沉積了由100 nm SiO2/500 nm SiN/100 nm SiO2組成的電介質結，沉積膜的總應變保持在100 MPa以下。然后使用電子束曝光將PMMA在125 keV下進行曝光，使用熱蒸鍍在1.33×10- 7Pa(1×10- 6mtorr)蒸發10 nm Ti/20 nm Pt，使用光刻膠硬掩膜(OCG-825)和CF4等離子體對釋放通孔進行了圖案化。其中溝道材料是采用LP-CVD法在銅箔上生長的石墨烯，并采用含FeCl3溶液濕法轉移石墨烯[82]。其中氮化硅(SiN)膜用于吸收輻射并加熱石墨烯同質結的中心以產生電壓輸出。在波長為10.6 μm時，入射輻射的一半可以被SiN膜吸收。通過優化石墨烯同質結的摻雜分布和熱隔離設計，熱電堆的響應度高達7～9 V·W-1。

2020年，紐約大學Gosciniak等基于石墨烯的光熱電效應，設計了長程介質加載表面等離子體激元(LR-DLSPP)結構[83]。如圖7所示，通過將器件與波導耦合增加了石墨烯溝道長度，進而大大地提高了響應度。在1 550 nm入射光下T= 4 510 K，實現了200 A·W-1的響應度，為石墨烯基光電探測器在高溫領域的應用提供了寶貴經驗。

圖7 (a)基于長程介質加載表面等離子體激元(LR-DLSPP)結構的石墨烯基光電探測器原理圖，其中Semiconductor 1同Semiconductor 2的材質均為硅；(b)器件結構的橫截面，顯示出坡印廷矢量PX在外電極方向上的電場分布；(c)長程介質加載表面等離子體激元(LR-DLSPP)結構下的平面內電場分量[83]。

基于光熱電效應下的石墨烯基光電探測器要求不同區域具有不同的塞貝克系數來產生所需要的電勢差。盡管研究人員一度通過柵控、摻雜的方法實現了對宏觀石墨烯溝道內、石墨烯-電極之間的電勢差的調控，以及通過懸空石墨烯減少基底產生熱傳導的方法來保證不同區域內的溫差，但總體而言響應度仍處在偏低的水平。直到研究人員從更為微觀的熱載流子冷卻的角度來考慮，提出了通過增加石墨烯溝道的長度來實現對熱載流子晶格冷卻梯度的構建以增大熱載流子和晶格之間的溫差的方法后，終于實現了響應度的大幅提高。

2.4 基于等離子體輔助探測的研究進展

等離子體技術的應用在這里是指應用光子和電子耦合時，電磁波與等離子體材料、介電介質界面之間發生相互作用，從而產生表面等離子體激元(SPPs)并引發的表面等離子體共振(SPR)[31]。等離子體技術的應用可以超過衍射極限[32]，進而有效提高光電探測器性能，這些現象在生物學領域、化學、氣體傳感中的圖像傳感和光通信設備等領域得到了廣泛的應用。對于等離子波輔助效應主導的光電探測器中溝道材料的選擇，除了石墨烯外還有諸如MoS2、InSe等二維材料。然而到目前為止，在器件結構多樣性方面，MoS2和InSe一般與金屬周期性結構耦合，而石墨烯則可以和納米帶、金屬周期性結構、金屬-絕緣-金屬(MIM)單元等多種結構耦合；同時，當前MoS2、InSe只限于部分可見光波段，且響應度相比于同波段光電探測器優勢并不明顯，因此基于這兩種材料的光電探測器易被替代[58]。相比之下，在等離子波輔助機制主導下的石墨烯基光電探測器可探測到太赫茲波段的入射光，這是其獨特的優勢。基于等離子波輔助機制的石墨烯基光電探測器不僅在太赫茲光探測領域發揮重要的作用，還可用于對谷電子學、石墨烯等離子體和Moiré超晶格方向的理論探究[84]。

2.4.1 基于石墨烯納米帶的等離子體輔助光電探測器

由于入射光不能直接有效地同大面積石墨烯表面等離子體激元耦合，人們利用石墨烯納米帶(GNRs)或微型陣列結構來激發石墨烯的表面等離子體激元，進而提高GNRs基光電探測器的響應度[33]，如圖8 所示。這里石墨烯是利用甲烷通過化學氣相沉積在銅箔上生長得到的。由于碳在銅中的溶解度低，這一過程具有自限性,可以得到單層石墨烯的覆蓋率超過95%。在PMMA沉積后，用刻蝕劑CE200濕法對銅進行溶解，附著在PMMA上的石墨烯被轉移到具有90 nm厚 SiO2覆蓋的硅片上;隨后利用電子束光刻技術在石墨烯頂部制備了Ti/Pd/Au電極;最后，利用電子束光刻、剝離和氧等離子體將石墨烯刻蝕成納米帶[33]。

圖8 通過來自可調諧量子級聯激光器的中紅外(脈沖為100 kHz)打到由ZnSe物鏡聚焦到以GNR陣列探測器為中心的20 μm光斑中。在漏電極上施加VD=-8 V的直流偏壓。直流和交流電信號在源極由偏壓三通分離，并傳輸到前置放大器(DC) 或鎖相放大器(AC)分別測量直流傳輸電流或交流光電流[33]。

轉移在SiO2/Si襯底上的GNRs可以通過二氧化硅產生的聲子激元與石墨烯表面等離子體激元耦合，利用二氧化硅聲子模式中反交叉現象，能夠實現二氧化硅聲子-石墨烯等離子體相互作用[34-35]。這種耦合引起的升溫幅度是傳統石墨烯紅外探測器的四倍。

此外，可以通過改變外加柵壓來改變GNRs載流子濃度，從而調控其費米能級，提高輸出光電流。并且外加柵壓還有助于提高增益帶寬。GNRs的表面等離子體激元還表現出極化依賴性。在該工作中，研究人員僅使用垂直于GNRs軸的電場分量有效地實現了光電流的增強[33]。

理論上講，基于GNRs的光電探測器也可以在太赫茲波段有著不錯的表現[36]。覆蓋GNRs的氧化鉿具有很高的k值，在氧化鉿的覆蓋下石墨烯載流子散射降低，使得石墨烯中載流子持續保持高遷移率，進而可以在室溫下進行從可見區域到中紅外區域的光電探測[37]。并且在室溫、中紅外波段下，基于表面等離子體輔助效應，采用GNRs與納米盤結合結構的光電探測器同樣具備優異的性能[38]。

2.4.2 石墨烯與基于微周期結構集成的光電探測器

通過石墨烯與微周期結構的集成，如周期性金屬圖案和金屬-絕緣-金屬(MIM)單元的集成，可以顯著增強石墨烯基光電探測器的響應度以及實現波長和偏振選擇功能[39-41]。這些周期性金屬圖案包括一維金屬條紋[42-43](圖9)、二維金屬微塊、七聚體、金屬分形圖案、Si量子點等[44-46]。由于石墨烯在等離子體結構附近的局域電磁共振受到限制，這些結構使石墨烯的光吸收性得到了顯著增強，其響應度最大可提高800%[14]。金屬納米結構誘導的表面等離子體共振可以有效提高石墨烯基光電探測器的響應度。

圖9 具有等離子體納米結構的石墨烯器件掃描電子顯微鏡顯微照片。(a)器件的整體圖像，石墨烯：藍色，SiO2(300 nm)：紫色，Ti/Au電極：黃色，比例尺，20 μm；(b)～(d)測試不同電極旁等離子體納米結構，標出L和TR入射光偏振，比例尺1 μm[42]。

除了通過局域表面等離子體共振增強石墨烯的吸光率外，室溫下金屬納米結構引起的熱電效應同樣可以提高響應度。使用基于等離子體結構來提高石墨烯響應度的另一種方法是將等離子體波導[47-48]或納米隙結構集成到傳感器中[49]。具有窄間隙的等離子體結構可以誘導間隙共振模式，以增強吸收。目前，大多數基于石墨烯的光學傳感器都是單像素器件。盡管仍存在一些挑戰，但在不久的將來，上述技術有望被廣泛用于圖像傳感器方面[50-52]。

2.4.3 用于探測太赫茲波段的其他結構

無論是石墨烯納米帶還是石墨烯-周期性集成結構，其可探測范圍都在中紅外波段。為了進一步探測更低頻率的波段，可以引入等離子體波輔助機制。Dyakonov等于1996年發現，納米級場效應晶體管能夠通過等離子體波整流檢測到太赫茲輻射，直流輸出信號是對集體載流子濃度振蕩(等離子體波)的響應[36]。這是因為源和柵極之間的電磁波耦合(在源發射的等離子體波)沿通道驅動產生了縱向電場[53]。圖10為基于Dyakonov等提出的機制在室溫下進行的太赫茲波段光電探測器示意圖，器件結構是基于周期性天線耦合的石墨烯場效應晶體管。

圖10 單層石墨烯上等離子天線示意圖[53]

2014年，Spirito等成功地制備了基于等離子體波輔助機制的光電探測器[54]，通過采用埋柵結構，在太赫茲波段(1 000 μm)，器件響應度達到了1.2 V·W-1，等效噪聲功率(NEP)為2×10-9W·Hz-1/2。

在利用雙層石墨烯進行太赫茲波段探測方面，Bandurin 等做了綜述[55]。如圖11所示，研究者采用天線耦合石墨烯晶體管結構，通過法布里-珀羅腔和整流元件輔助等離子體激元共振檢測太赫茲輻射，并比對了在不同溫度下響應度隨著柵極電壓的變化情況。圖11(a)、(b)分別代表不同頻率入射光的探測結果，清楚地顯示出寬帶和共振檢測機制之間的差異。該結果也同時證明了共振響應是石墨烯器件中的一種普遍現象，且與將交流電場整流為直流光電壓背后的物理機制無關。通過非線性校正可以進一步確定響應度的增加情況，研究者們利用該結構發現了在雙層石墨烯/hBN超晶格內Moiré微帶上的低能等離子激元[55]。這種方法對研究磁微帶中的集體模式有很大的幫助，近年來受到了廣泛關注。

圖11 雙層石墨烯的太赫茲光波段探測。(a)在入射光頻f=130 GHz時，3種溫度(300，77，10 K)下測量的響應度。橙色矩形框顯示了一個響應度的變化，該變化源于p摻雜石墨烯通道和靠近觸點的n摻雜區域之間的p-n結處入射輻射的整流。右上插圖：FET系數F作為同一溫度T下頂柵電壓Vg的函數；左下插圖：最大響應度Rmax作為溫度T的函數。(b)入射光頻率f=2 THz時，溫度為10 K時，響應度同頂柵電壓之間的函數關系。右上插圖：顯示了電子摻雜的光電電壓的放大區域，其中共振用黑色箭頭表示；左下插圖：液氮溫度下的共振響應率[55]。

總之，對于基于等離子輔助機制的石墨烯基光電探測器而言，其主要指標依賴于器件結構，無論是納米帶結構、微周期耦合結構還是用于探測太赫茲波段的其他結構，其本質都是將入射光轉換為等離子體共振。這同時反映了其局限性，即只能在器件結構的共振波長下提高響應度，然而共振波長可通過改變器件的幾何結構來調控，所以其探測波長是單一的。

2.5 基于光柵控效應的進展

光柵控效應是光致電導效應的特例，是指由于空穴或者電子被局域態所束縛時，產生一個額外的電場而表現出的和柵極電壓一樣對材料電導(電阻)較強的調控效應，因此光柵控效應是一種通過光致柵壓來調節器件溝道電導的方法[29,85-93]。

光柵控效應的機理示意圖如圖12所示[88]。圖中硅作為背柵電極，SiO2為介電層。當硅柵極中的光激發電荷導致 Si/SiO2界面處的電勢(δVPV)發生變化時，就會發生光柵控。因此要產生光柵控效應，就需要Si/SiO2界面處 Si 發生能帶彎曲。Si能帶的彎曲會提供一個電場，該電場將光激發所產生的電子-空穴對分開，并提供了一個勢阱來捕獲電子或空穴，從而產生電勢差。圖12(a)為器件制備完成后硅襯底能帶彎曲示意圖，初始能帶彎曲為φso=100～200 mV；圖12 (b)為在激光照射下，正氧化物電荷被束縛在界面處的光生電子部分屏蔽，從而降低了表面電勢φso→φsΛ，產生光電壓δVPV。

圖12 光柵控能帶變化示意圖[88]

當前基于光柵控效應主導的光電探測器材料主要有ZnO、Zn3P2、GaS等，這些材料相比于石墨烯而言，具有可探測波段范圍較窄且多僅限于紫外和可見光波段的問題。而該類石墨烯型器件則具有從可見光波段至中紅外波段的較大響應范圍，并且由于石墨烯能與量子點等其他二維材料進行有效的耦合，所以可以實現響應度大幅度提升等特點和優勢，這都是傳統光柵控效應材料所不具備的。再加上近年來石墨烯在大面積工業化制備工藝上的長足進步，使得基于光柵控效應下的石墨烯基光電探測器在成像裝置方面的廣泛應用未來可期[94]。

2.5.1 基于純石墨烯結構的應用進展

盡管早在2009年Xia等便在石墨烯基光電探測器光柵控領域進行了初步嘗試[11]，但是同傳統的材料相比較，效果并不理想，響應度只有5×10-4A·W-1。這主要是因為石墨烯作為一種厚度只有0.35 nm的二維材料并不具備強的光吸收能力。而膠體量子點的寬帶吸收可以補償石墨烯有限的響應波段，從而增強石墨烯的吸光度，同時石墨烯的高載流子遷移率也一定程度上彌補了量子點遷移率低的不足[95-96]。

2.5.2 基于量子點/石墨烯混合結構的進展

2012年初，Konstantatos等開發了一種基于PbS量子點/石墨烯混合結構光電探測器，響應度達到了107A·W-1[29]。其中單層/雙層石墨烯的制備是通過機械剝離熱解石墨獲得，然后轉移到Si/SiO2(285 nm)晶圓上，80 nm厚的PbS量子點薄膜是利用PbS膠體量子點通過逐層法旋涂涂膜方式制備的[29]。如圖13所示，量子點中產生電子-空穴對，空穴被轉移到石墨烯上，而電子被聚集在量子點層中，以此調節石墨烯的電導，這樣即使在50 fW弱入射功率的情況下，也可以獲得108的超高增益；并且增益帶寬積也達到109Hz，整體性能可與通過苛刻而昂貴的分子束外延(MBE)生長的Ⅲ-V族材料光晶體管相媲美[97]。同年Sun等報道了一種基于化學氣相沉積(CVD)的石墨烯/量子點光電探測器，盡管響應度同樣為107A·W-1，但由于該器件的基底是柔性材料，所以實現了器件可彎曲和耐磨的特性[30]。憑借CVD法制備的優勢，光柵控效應下的石墨烯光電柔性探測器原則上講已經可以進行大規模工業化制備。

圖13 石墨烯-量子點復合光電探測器。(a)石墨烯-量子點混合光電晶體管示意圖，其中石墨烯薄片沉積在Si/SiO2結構上并涂有PbS量子點；(b)使用聚焦在 532 nm、功率為 1.7 pW 的激光束的空間光電流分布。當激光束掃過檢測器表面時，記錄光電流。空間分布圖顯示了在與石墨烯薄片重疊的量子點薄膜區域(VSD=10 mV)處光電晶體管的大面積激發。插圖：本研究中使用的石墨烯薄片與金電極接觸形成光電晶體管的光學圖像[29]。

2017年，Goossens等基于光柵控增強機制開發了一種集成的量子點-石墨烯互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器[50]。這是首次將大面積二維材料與硅讀取電路相結合，實現了具有388×288陣列光檢測像素的NIR-SWIR數碼相機。這一結果證明了光柵控效應下石墨烯基光電探測器在顯像領域的重要應用價值。同時為了進一步拓寬探測波段范圍，研究者隨后又在量子點/石墨烯混合結構在寬波段檢測方向做了大量的工作[98-99]。

2.5.3 以石墨烯為溝道的異質結構進展

由載流子壽命τL及載流子躍遷時長τt所決定的增益在很大程度上取決于載流子躍遷時長τt。而縮短溝道長度、增大偏置電壓、提高載流子遷移率均能有效地縮短載流子躍遷時長τt。石墨烯具有非常高的遷移率，所以可以預測通過將石墨烯做成混合結構光電探測器的溝道能夠有效地縮短躍遷時長τt[78,92,100-103]。而量子點異質結構的高響應度與量子點的壽命密切相關，因此使用不同量子點的器件可能得到不同的響應速度。所以同時使用石墨烯和量子點的異質結構原則上可以同時實現高增益和響應速度的有效控制。

2013年，Roy等將石墨烯作為溝道層、MoS2作為柵控層[78]，通過施加負向背柵電壓使MoS2/石墨烯界面處的能帶對齊，從而使光生電子轉移到石墨烯而空穴留在MoS2。結果顯示，當入射光波長為635 nm時，在130 K的溫度下，該異質結構的響應度最高達到了1010A·W-1，即使是在室溫下也可達到5×108A·W-1。Zhang等也做了類似的基于石墨烯/MoS2的異質結構，光增益超過了108[100]，顯示出該方案良好的可重復性。2015年，Liu等制作了碳納米管-石墨烯異質結構光電探測器，實現了波段400～1 550 nm的有效光譜探測[92]。此外，光照之后Ids-Vg曲線負向偏移，說明碳納米管作為空穴陷阱層留住了大量的光生空穴從而實現了對石墨烯電導率的有效調節。該碳納米管/石墨烯異質光電探測器的增益優于105。同年，Lee等將石墨烯與光吸收材料CH3NH3PBI3鈣鈦礦層結合起來[101]，盡管該異質結構的有效探測范圍僅限于可見光波段，但其具有優異的響應度。

石墨烯極薄的厚度限制了其對于入射光波長大于可見光波段的吸收能力，于是2014年Liu等嘗試構建了石墨烯/Ta2O5/石墨烯堆疊層[103]以增加石墨烯結構對光的吸收。其中使用的是轉移到Si/SiO2襯底上通過CVD法制備在銅箔上的石墨烯。該工作中為制備石墨烯/Ta2O5/石墨烯異質結，首先將石墨烯轉移到具有285 nm 厚SiO2的Si片上，采用光刻法、石墨烯等離子體蝕刻法和金屬剝離法制備背柵石墨烯晶體管；然后在樣品上通過射頻濺射5 nm厚的Ta2O5薄膜，將石墨烯轉移到作為隧穿勢壘的Ta2O5薄膜的頂部，再經過光刻、蝕刻和金屬剝離工藝制備頂柵石墨烯晶體管[103]。在光照下，頂部單層石墨烯產生的光生電子進入底層，而光生空穴留在頂層，這對以Ta2O5為材料的溝道層電導產生了很強的光柵控效應。在室溫下，該結構對近紅外-中紅外(1.3～3.2 μm)波段的響應度高于1 A·W-1。該結果說明光柵控效應在石墨烯基光電探測器的紅外光檢測方面仍具有較大的探索空間。

2021年，Yang等采用Ge/Graphene/CdS結構，在保證高響應度的同時實現了雙色光探測[104]。具體結構如圖14所示。這一成果顯示出基于石墨烯為溝道混合結構的光電探測器具備研究前景。

圖14 Ge/Graphene/CdS結構的石墨烯基光電探測器簡圖[104]

2.5.4 基于界面柵/門控效應的混合結構進展

利用界面柵(門)控效應是這幾年研究的熱點，它是指利用界面效應對光響應的調控。一般這樣的器件中光響應區域限于層與層交界處，雖然器件利用率下降，但是光響應度卻可以大大提高。2016年，Guo等使用P型輕摻雜的硅作為單層石墨烯的襯底和柵極[105]，如圖15所示。利用在Si/SiO2界面處向下彎曲的能帶聚集大量空穴，從而在界面附近形成內建電場，這就相當于在石墨烯溝道上施加了一個負向柵壓，進而可以實現對光生電子-空穴對的有效分離。結果表明，該光電探測器具有優異的性能，它能夠對小于1 nW的光信號進行高靈敏度探測。這里選擇輕P摻雜硅原因在于重摻硅會有效地縮短過量電子的壽命[106]。

圖15 基于界面柵/門效應下的石墨烯基光電探測器。(a)具有正局域態(qΦ0)的p型輕摻雜Si/SiO2襯底上的界面能帶圖。光生電子(藍點)在界面處的累積導致在光照下產生額外的負電壓，將費米能級(EF(Gr))降低到新位置(E′F(Gr))，從而在石墨烯中形成光誘導的p型摻雜；(b)p型輕摻雜Si/SiO2襯底上石墨烯基光電探測器的剖面圖以及載流子遷移方向[105]。

為了進一步研究基于光柵控效應下的石墨烯基光電探測器對于可見光以外波段的探測情況，同時盡可能消除由于施加柵壓帶來的暗電流， 2019年，日本科學家Shoichiro等探究了位于正硅酸乙酯/銻化銦上的單層石墨烯在中紅外波段的光電特性(圖16)[107]。實現了石墨烯基光電探測器的中紅外波段光響應14.9 A·W-1，比之前結果大兩個數量級。同時顯示在150 K以及低于該溫度的條件下該器件均有顯著的光響應，如圖16(a)所示。

圖16 (a)在黑暗和4.6 μm脈沖激光輻照下，器件的漏電流和漏電壓(Id-Vd)特性曲線；(b)器件在4.6 μm脈沖激光輻照下的漏電流-時間(Id-time)特性曲線，脈沖周期：開啟時間0.8 s，關閉時間1.2 s；(c)開/關比(I photo/I dark)與漏電壓Vd的函數關系[107]。

相較于其他類型的石墨烯光電探測器，高響應度是光柵控效應石墨烯基光電探測器最大的優勢，但可探測的波長卻仍然局限于可見光到中紅外波段。值得說明的是，即便在近紅外-中紅外波段，要想同時得到高的響應度和較大的增益，對該類探測器而言也需要借助低維復合結構才能實現。一部分原因在于單層石墨烯本身并不具備較好的寬波段范圍吸收率，而增加石墨烯的層數又勢必會降低其載流子遷移率。無論是量子點摻雜還是基于界面柵/門控效應的異質結構摻雜均可帶來較高的響應度，但卻會使得石墨烯載流子遷移率降低，從而犧牲了響應速度。

2.6 基于光電導效應的石墨烯光電探測器

與光伏效應中由于內電場實現電子-空穴對分離不同，光電導效應是通過外加偏壓來使電子-空穴對分離[7]。在入射光照射下，探測器吸收光子產生電子-空穴對，并在外加偏壓的作用下使其分離，這時獲得的光電流大于暗電流。光照后，器件電導會增加一段時間，該時間稱為持續時間。光電導與暗電導之間的差異反映著光照水平。如果持續時間超過載流子通過器件的傳輸時間，則被吸收的光子所產生的電荷都會對光電流有所貢獻[108]。而持續時間本身是由電子-空穴對復合時間所決定，因此缺陷存在有助于延長持續時間。此外，這些缺陷不僅可以延遲帶間復合還能夠捕獲電荷，因此對光電導增益提高尤為重要(圖17)。

圖17 (a)在光電二極管中利用電子和空穴的漂移和擴散，其中電子-空穴對通過由帶空間彎曲表示的內置電場的作用而分離。在光吸收時，光子的能量轉移到半導體中的電子(實心圓圈)，將其提升到導帶(上黑線)并在價帶(下黑線)留下一個空穴(空心圓圈)。(b)在光電導體中，一種類型的載流子被捕獲，而另一種在電場的影響下循環(在該描述中，電子被捕獲)。紅色箭頭描繪了電子從導帶捕獲到相關陷阱狀態。如果空穴壽命超過空穴穿過器件所需的時間，那么被束縛電子的持續時間確保空穴可以通過外部電路多次循環，從而獲得增益[108]。

Giovannetti等在2008年試圖從理論上解釋石墨烯溝道內的光電導效應[109]，他們認為在石墨烯溝道區域內發生的光電轉換效應同金屬-石墨烯結之間的空間距離有特定的關系，即距離金屬-石墨烯結越近光電轉換效應越強，反之距離金屬-石墨烯結越遠則該效應就越弱。同一年，Lee等使用掃描光電流顯微鏡從實驗上分析了石墨烯溝道內光電流空間分布情況[110]，并驗證了Giovannetti等的結論。2010年，Peter和他的同事對石墨烯溝道進行分區摻雜[20]，部分石墨烯通過氧離子進行p摻雜，另外一部分通過聚乙基亞胺水溶液進行n摻雜，在波長為633 nm的激光下獲得了掃描光電流圖像，并發現在外部偏壓為零的情況下通過光照得到了與金屬位置相依賴的異常高的光電流。他們將這種光響應歸因于不同摻雜區域的費米能級差在p-n結界面中形成的內置偏壓。除了通過分區摻雜形成能級差進而產生內置電壓外，研究人員還嘗試了利用異質結結構來實現石墨烯的光電導效應。2012年，Lee等[111]采用石墨烯-CdS納米線異質結實現了石墨烯的光電導效應。如圖18所示，作者通過在石墨烯溝道表面垂直生長大量CdS納米線，在石墨烯溝道內產生垂直的內置電場，相比于之前在石墨烯水平方向分區摻雜，該方法顯著提高了光電流。除了具備良好的響應度外，還具備較高的響應速度，有望在高速光電設備方向應用。

圖18 基于石墨烯-CdS NW(Nano-wire)混合結構的高性能光電導通道制備過程示意圖。(a)將單層石墨烯片轉移到SiO2 襯底上；(b)在石墨烯上沉積金催化劑層；(c)使用真空爐在金催化劑上生長 CdS 納米線；(d)制備沉積在石墨烯片的兩個邊緣上的金屬電極[111]。

除了在石墨烯溝道表面進行改性外，人們還嘗試采用不同的襯底來調節石墨烯的光電導效應。 2018年，Gorecki等設計了將石墨烯溝道置于摻鐵鈮酸鋰襯底之上的結構[112]，該器件相比于傳統的Si/SiO2襯底結構其電流密度得到了顯著的提高。在保證良好的響應度的基礎上，研究人員還著手優化其他光電導效應下石墨烯光電探測器的參數。如圖19所示， 2019年Li等采用裁剪石墨烯溝道的方案[113]，使用Ga2O3∶Zn作為襯底，充分利用石墨烯同Ga2O3∶Zn之間能級差帶來的內置電場。 這樣不僅保證了高響應度，同時還在5 V外加柵壓下獲得了暗電流僅為1.6×10-11A的結果，顯示出其卓越的開關比。

圖19 器件制備過程示意圖。通過常用的濕轉移方法將石墨烯(Gr)轉移到Si襯底的SiO2表面；再在標準光刻工藝之后，通過磁控濺射將用于探針測試的Ti/Au電極沉積在Gr上；最后，金屬和Gr電極都通過PMMA的簡便方法轉移到Ga2O3∶Zn薄膜上[113]。

由于光電導效應多發生在金屬接觸區域外，因此在缺少異質結內置電場的條件下只能通過石墨烯改性來實現局域內置電場的調控，從而達到對光生電子-空穴對分離的目的。其他二維材料如WS2和MoS2，也可以被用來制備基于光電導效應的光電探測器，但由于這二者的帶隙約為0.8 eV，相比于零帶隙的石墨烯而言光生電子-空穴對的激發更加困難，所以響應度很低。

2.7 其他

除上述器件結構外，研究者們還制備出一些其他類型的光電探測器，為光電探測器的發展拓寬了道路。Pataniya等利用電泳沉積技術制備出一種基于二硫化鎢/石墨烯異質結結構，它可用于柔性、大面積、高靈敏度的光電探測器[56]。如圖20所示，該二硫化鎢/石墨烯光電探測器制備過程兼具節能與環保的優點，并且在390～1 080 nm的寬光譜范圍內表現出良好的光響應。此外，該器件的光響應度達0.439 A·W-1，比探測率為1.41×1010Jones。通過結構優化其外部量子效率更是達到了81.39%。該探測器的響應時間為2.1 s，比之前的報道要短很多。在經過500多次彎曲形變后，光電探測器仍然能夠維持良好的性能，表現出優異的柔性特性。

圖20 (a)～(g)二硫化鎢/石墨烯異質結光電探測器制作工藝示意圖[56]

我們總結了以上不同響應機制制備的石墨烯光電器件的性能參數，如表1所示。

表1 不同響應機制對應器件的性能指標

3 目前存在的挑戰及未來展望

本文簡要地總結了基于不同響應機制的石墨烯基光電探測器的研究現狀和進展，并著重討論了六種不同石墨烯基光電探測器的響應機制及應用。在過去近二十年里,基于石墨烯光電探測器的結構設計、制備工藝及性能進展迅速，這些發展為未來光電器件廣泛應用于各個領域提供了更多的可能性和新的發展路線。但石墨烯基光電探測器的制備和應用仍存在一定的局限性，例如單層石墨烯的吸收率過低，因此限制了器件的小型化，但雙層及更厚的石墨烯的遷移率則較低，并且多層石墨烯對于入射光波長大于可見光波段的吸收能力也非常有限。此外，由于基于光柵控效應的石墨烯基光電探測器僅在可見光到中紅外波段有效，因此為實現高響應度、大增益的石墨烯基光電探測器往往需要設計低維復合或異質結構。

通過對六種響應機制對石墨烯基光電探測器性能影響方面的分析和展望，我們不難看到，在實際開發過程中利用好這些機制仍具有一定的挑戰。(1)基于光伏效應的石墨烯光電探測器由于其響應機制簡單，制備工藝和成本較低，可廣泛應用于一些造價成本不高、精度要求較低以及有大規模制備需求的器件中，但無法滿足精度更高需求的進一步開發和應用。(2)光熱電效應下的石墨烯光電探測器由于當前研究多從晶格熱梯度產生溫差進而產生電勢差的角度入手來提升響應度，因此基于該機理來提升器件性能的方法對加工工藝提出了更高的要求。 (3)等離子體輔助機制下的石墨烯光電探測器盡管能探測到遠紅外、太赫茲波段的入射光，且響應度可維持在一個相對較高的水平，但是其可探測波段單一，且只能在石墨烯表面周期性結構的共振波段工作，因此不適合應用于寬波段探測。并且器件加工成本高，限制了其在工業制備領域的發展[114-118]。(4)光柵控效應下的石墨烯光電探測器可以通過摻雜來提高響應度，但摻雜會造成響應速度降低，并且由于每次摻雜的量子點數目有限，導致基于該效應下的石墨烯光電探測器無法長時間工作。(5)光輻射熱效應下的石墨烯光電探測器對其具體理論機理尚不明確，器件的響應度相較于其他效應下的光電探測器響應度較低。(6)在長波段范圍內，光電導效應需要和周期性結構耦合來完成對入射光的探測[119-120]。在短波段方面，無論是石墨烯還是其他二維材料，響應度均距離工業化應用需求有較大差距。比如，以Ga2O3∶Zn為襯底的石墨烯基光電探測器在深紫外波段響應度只有1.05 A·W-1[113], 以MoS2為溝道材料的光電導效應光電探測器在可見光波段最大不超過7.5 mA·W-1[121];相比之下，同樣基于光電導機制，相同的入射光波段ZnO納米線溝道響應度可以達到1.29×104A·W-1[122]，Si納米線溝道響應度可以達到105A·W-1[123]。

其次，除上述問題外，石墨烯材料也面臨其他新型二維材料的挑戰[124-126]。如金屬硫系納米片，以MoS2為代表的一些金屬硫系化合物是半導體，其帶隙取決于其層數，對特定波長具有更高的光吸收度，并且比石墨烯具有更好的波長選擇性,純金屬硫系納米片顯示出比純金屬更高的光響應性[127-128]。同時，二維氧化物、氫氧化物、碳化物和氮化物晶體正受到越來越多的關注[126,129-131]。

雖然還面臨許多挑戰，但眾多研究已經證明基于上述六種機制的石墨烯光電探測器在電子、機械裝備、電化學和生物等領域具有巨大的應用前景[132-141]。例如，對于電子領域而言，基于上述六種機制開發的光電探測器的研究成果和思路還可以用于光發射器、氣體傳感器、光電池的開發[132]，這主要得益于石墨烯光電探測器的高響應度和高外部量子效率。在電化學領域，高穩定性的石墨烯基光電探測器被用于納米機電系統(NEMS)[134]、DNA傳感器[135]、光電化學傳感器[136]和太陽能電池[137]。在生物領域，石墨烯基光電探測器也被用于熒光傳感器[138]、細胞蛋白檢測[139]，尤其是在光電探測器領域對于長波段入射光的探測成果已被大量地應用在生物醫藥方面[140]。因此，對其響應機制進行進一步理論探究對其他領域的發展具有非常重要的借鑒意義。

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