大面积石墨烯的可扩展合成和转移支持了纳米级光子器件的开发，这些器件非常适合各种领域的新应用，从生物技术到用于医疗保健和运动检测的可穿戴传感器，再到量子传输、通信和计量学。 我们报告了室温零偏置热电光电探测器，基于通过化学气相沉积 (CVD) 生长的单晶和多晶石墨烯，可通过选择片上图案化纳米天线的共振在整个太赫兹范围 (0.1-10 THz) 内进行调谐 . 证明了在室温下具有噪声等效功率 <1 nWHz^-1/2 和响应时间 ∼5 ns 的高效光检测。这种规格组合比以前在亚太赫兹和太赫兹范围内运行的任何 CVD 石墨烯光接收器都要高几个数量级。 这些最先进的性能以及在互补金属氧化物半导体平台上升级到多像素架构的可能性是在商用微测辐射热计阵列尚未覆盖的频率范围内实现具有成本效益的太赫兹相机的起点
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图1。（a）领结耦合单栅化学气相沉积玻璃纤维增强复合材料，带有片上领结天线。R_b天线半径，α= 90°是张角。集成在线性偶极天线中的双栅单反p-n结。示出了偶极子的半长R_d。插图:p-n结有源元件的布局(类似的布局用于单栅几何结构)，指示相关的几何参数。Lc 和Wc是栅极区域的长度和宽度，w是两个顶部栅极之间的间隙大小，h_1，2是定义接触区域的几何参数，m_1，2定义了CPD。伪彩色扫描电镜图像显示两个凝胶渗透色谱。(c，d)天线模拟显示了对于w = 200 nm，相对于天线尺寸的场增强。（c）在2.8THz照射下，平行于天线轴的电场分量的增强是天线半长的函数。（d）作为天线半长函数的能量增强。蝶形天线的能量增强较小(因子2)。（e）作为辐射频率函数的能量增强。蝶形天线的百分带宽为44%，线性偶极天线为12.5%。蝶形天线和线性偶极天线的面内场增强与频率的关系。(c，d，e，f)中的结果是通过评估当金属天线在基板上时，对于能量和平面内电场的GFET通道位置中的体积积分而获得的，并且归一化为基板上没有天线的情况。
 
 
图2。(a)室温下通道电阻与Vg的函数关系，显示Vg = -0.48v时的CNP。对于该器件，外推一个电子(空穴)u_FE～1200 cm²V^-1s^-1(900 cm²V^-1s^-1)和n₀～4.1×10¹¹cm^-2。(b)PTE和OPW模式的比较。左纵轴，蓝色曲线:PTE光电压(V_PTE)，作为栅电极下的塞贝克系数(S_bg)和沟道未选通部分(S_bu)之间的差值获得，乘以△Te = 1k。Sbg根据GFET跨导计算，使用莫特方程。Sbu假设等于Sbg在Vg= 0 V。右纵轴，红色曲线:场效应晶体管因子(F)，根据GFET跨导计算。(c)单位带宽的噪声电压(左纵轴，Vg= 0 V)。(d)空气侧左纵轴:用1.334kHz的调制频率测量的太赫兹响应度。双符号变化与PTE主导的反应兼容。右垂直轴:光从正面入射并通过硅透镜衬底时测得的作为Vg函数的光电压。改进的光学耦合将光响应提高了一个因子4。 （e）作为Vg函数的NEP。(f)黑色曲线:在负微分电阻状态下驱动QCL时记录的光电压时间轨迹。从波形中，我们提取出τ～6±0.3 ns。蓝色阴影区域代表激光发射关闭的时间间隔。
 
  
图 3. (a) 通道电阻图作为施加到分裂栅极的偏置的函数。可以看到对应于p-n、p-p、n-p 和n-n掺杂的传输机制。(b) R_V谱图。符号反转导致额外的 p-p' 和 n-n' 区域，因此具有六重对称性，这是 PTE的标志。彩色方块表示记录（e）中波形的电压配置。虚线垂直线表示对应于（d）的地图中的线切割。(c) NEP 图，显示了 V_gL= -2 V，V_gR= 1.7 V 时的最小值 ~1.3 nWHz^-1/2。 (d) 从基板侧（浅蓝色）和空气侧（蓝色）照射探测器时测量的响应率，保持 V_gL= 1.3V，同时将 V_gR 从-2 V扫描到+2 V。（e）光电压时间轨迹，当QCL在负差分电阻状态下驱动时记录，针对不同的 V_gL、V_gR 测量。提取的τ为 ~5.2 ± 0.4 ns。阴影区域表示激光输出功率预计会因波动而消失的时间间隔。
 
 
图 4. (a) 作为n₀函数的NEP（用于空气侧照明）的散点图。黑色虚线是目标的指南。绿点代表单顶栅 GFET； 黄色（蓝色）点表示配备线性偶极（领结）天线的分裂栅 p-n 结。 (b) NEP与u。 (c) NEP与R₀*。( d-f ) 作为W_c函数绘制的器件性能。实心圆圈代表单个顶栅 GFET，空心圆圈代表 p-n 结GPD。 (d) 平均接触电阻。 (e) 平均R_v。 (f) 平均NEP。 为每个 Wc和 GPD 类型计算平均值。
 
  
图 5. (a) 在 Cu 上生长的 SLG 晶粒的代表性光学图像，对比度通过在 250 ℃ 下在空气中加热 1 分钟而增强。比例尺 100 μm。 (b) 代表性拉曼光谱，在532 nm处测量在 Cu（蓝色）和SLG在SiO₂/Si（红色）上转移后生长的 SLG SC。 (c)多晶SLG在514.5 nm的拉曼光谱，在Cu上生长（红色）并在SiO₂/Si上转移SLG（蓝色）。
 
  
图 6. (a) Si/SiO₂上12个器件的光学显微镜图像。(b) 安装在陶瓷载体上用于直流电表征的芯片的照片。
 
 
图 7. (a) NEP的分布。实线代表拟合正态分布（注意x轴是对数刻度）。 计算出的平均值和IQR分别为4.3 nWHz^-1/2和3.3 nWHz^-1/2。 (b) 残余载流子密度n₀的分布，均值为 ∼ 1.17 × 10¹²cm⁻² 和 IQR ∼ 0.63 × 10¹²cm⁻²。 实线表示对数据的高斯拟合。 (c) μ_h 的分布，平均 ∼2590 cm² V⁻¹s⁻¹ 和 IQR ∼ 1780 cm²V⁻¹s⁻¹。 实线表示拟合数据的正态分布。(d)接触电阻的分布，平均值约为 8250 Ω·μm，IQR约为4530 Ω·μm。 实线代表对数正态分布函数。
 
       相关科研成果由剑桥大学Miriam S. Vitiello等于2021年发表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06432）上。原文：Chip-Scalable, Room-Temperature, Zero-Bias, Graphene-Based Terahertz Detectors with Nanosecond Response Time。

转自《石墨烯研究》公众号