Nanoscale: TiO2纳米颗粒修饰三维石墨烯紫外光电探测器

【引言】

紫外光电探测器在空间通信、军事侦察、环境监测、生物医学等许多领域具有广泛而重要的应用。石墨烯优异的光学和电学性能使之成为制造紫外光电探测器的理想材料。但是单层石墨烯对光的吸收率很低（~2.3%），导致平面二维（2D）纯石墨烯紫外光电探测器的响应度不高。如何提高石墨烯紫外光电探测器的响应度，同时保持较高的响应速度，是一个公认的难题。

【成果简介】

近日，北京交通大学李莎莎（第一作者）、邓涛（通讯作者）等人将溶液合成的二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒（NP）与三维（3D）石墨烯场效应管（GFET）相结合，制备出了一种具有超高响应度且响应时间可调的新型紫外光电探测器。在零栅压和零源漏偏压条件下，器件的响应时间小于10 ms，响应度比无TiO₂ NP修饰的3D GFET器件的响应度提高约30%；在零栅压、0.8 V源漏偏压条件下，器件的响应度可达475.5 A/W，比最近报道的基于石墨烯/垂直Ga₂O₃纳米线阵列异质结型紫外光电探测器的响应度（0.185 A/W）大3个数量级。此外，这种TiO₂ NP修饰3D GFET型紫外光电探测器的响应度和响应速度还可以通过施加很小的源漏偏压（＜1 V）和（或）栅压（≤3 V）进行调节和优化。该研究表明，将3D FET结构与半导体光敏物质相结合可以有效提高石墨烯光电探测器的综合性能，这为基于二维材料的高性能光电探测器研发提供了新的思路。相关研究结果以题为“High sensitivity ultraviolet detection based on three-dimensional graphene field effect transistors decorated with TiO₂ NPs”的文章在线发表在Nanoscale上。

【图文导读】

图1 二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒（NP）修饰自卷曲三维（3D）石墨烯场效应管（GFET）。（a）和（b）TiO₂ NP修饰前、后的3D GFET；（c）TiO₂ NP修饰3D GFET微管；（d）键合在PCB上的TiO₂ NP修饰3D GFET；（e）石墨烯/ TiO₂ NP导电沟道；（f）TiO₂ NP修饰前（蓝线）、后（红线）3D GFET的拉曼光谱。

图2 TiO₂ NP修饰前、后3D GFET的电学和光电特性。（a）TiO₂ NP修饰前、后3D GFET的转移特性对比；（b）和（c）TiO₂ NP修饰前、后3D GFET的输出特性曲线；（d）TiO₂ NP修饰3D GFET在不同入射光功率下的转移特性。_.

图3 TiO₂ NP修饰前、后3D GFET的光电特性。（a）实验装置示意图；（b）零栅压和零源漏偏压（V_gs = V_ds = 0 V）条件下，TiO₂ NP修饰前、后3D GFET的瞬态光电响应；（c）单个调制周期的瞬态光电响应。

图4 TiO₂ NP修饰3D GFET基于光栅效应工作的光电特性。（a）在V_ds = 0.1 V和V_gs = 0 V条件下，器件的瞬态光电响应；（b）器件光电响应随源漏偏压变化；（c）在V_ds = 0.1 V和V_gs = 0 V条件下，器件响应度随入射激光功率变化；（d）器件响应度随源漏偏压变化；实验中所用激光波长为325 nm，图（a）和（b）所用激光功率均为3.47 mW，图（d）所用激光功率为0.35 μW。

图5 TiO₂ NP修饰3D GFET和作为参照的TiO₂ NP修饰平面二维（2D）GFET光场仿真。（a）在波长为325 nm、电场强度为E₀ = 1 V/m的平面光辐射下，TiO₂ NP修饰3D GFET附近的电场强度（E_3D）分布；（b）相同条件下，TiO₂ NP修饰2D GFET附近的电场强度（E_2D）分布。

图6 TiO₂ NP修饰3D GFET的栅压可调光电特性。（a）器件归一化响应度随栅压变化；（b）器件光电流上升时间随栅压变化；实验中源漏电压V_ds = 0.1 V，激光功率为3.47 mW。

【小结】

本文利用溶液合成的二氧化钛纳米颗粒修饰自卷曲三维石墨烯场效应管，制造出了一种新型的紫外光探测器，利用紫外光敏物质和微管式光学谐振腔的双重增强作用，实现了对紫外光的超高灵敏度、快速探测。

文章链接：https://doi.org/10.1039/C9NR04475B 

本文由北京交通大学邓涛老师团队供稿。

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