多功能设备对于在同一平台上进行集成和小型化非常重要，但是简单地功能增加会导致设备过大。在这里，光探测和化学传感装置是基于二维（2D）玻璃态石墨烯开发的，满足两种功能的类似性能要求。与本征石墨烯相比，扭曲的晶格结构产生的适当带隙使玻璃态石墨烯具有相当甚至更优异的光电探测和化学传感性能。由于玻璃态石墨烯和周围孔气之间较强的相互作用，这种器件对光致脱附的敏感性低于石墨烯器件。因此，几层玻璃态石墨烯器件呈现正的光响应，在405nm的激光照射下,器件的响应率为0.22AW^-1,探测率为~10¹⁰ Jones.此外，玻璃态石墨烯中的固有缺陷和应变可以增强分析物的吸附，从而获得良好的化学传感性能。具体而言, 玻璃态石墨烯器件探测丙酮的信噪比为48,比石墨烯器件提高50%以上。此外,对偏压和厚度有关的挥发性有机化合物(VOC)感测功能的分析表明, 少层玻璃态石墨烯更为敏感。这项研究成功地证明了玻璃态石墨烯在集成光电探测和化学传感方面的潜力，为以后的多功能应用提供了一个有希望的解决方案。
 

图1.玻璃态石墨烯的材料表征结果和器件阵列图片。在通道边缘获得的(a) 0.9-nm, (b) 1.5-nm和(c) 2-nm玻璃态石墨烯薄膜表面形态的AFM图像。比例尺为1µm。插图是与薄膜厚度相对应的高度轮廓。 (d)2-nm玻璃态石墨烯的CS-AFM图像，在与图(c)相同的区域进行扫描，并根据空间电流图确定。比例尺为1µm，颜色条表示电流从蓝色增加到粉红色。(e)几层玻璃态石墨烯的HR-TEM图像。比例尺为5纳米。(f)石英上0.9-nm玻璃态石墨烯器件阵列的数码照片，显示出良好的透明度。比例尺为2 mm。
 
 
图2. 与单层石墨烯光电探测器相比，几层玻璃态石墨烯光电探测器的光响应性能结果。(a)照明下玻璃态石墨烯光电探测器的示意图。(b)玻璃态石墨烯光电探测器在黑暗和405nm光照下的I-V特性曲线，功率密度为1.23 mW cm^-2。(c)玻璃态石墨烯光电探测器(1.5 nm)在功率密度为1.23 mW cm^-2，405nm的激光照射下的激光开关光响应动力学。施加的恒定电压为1V。(d)在405nm，功率密度为27.4 mW cm^-2的光照下单层石墨烯光电探测器的光响应动力学。施加的恒定电压为1V。
 
 
图3.可见光-近红外附加照明下的光响应特性、功率依赖光响应性能和玻璃态石墨烯光电探测器的能带结构。(a)玻璃态石墨烯光电探测器(1.5 nm)分别在450、520、635和780 nm光照下的周期性瞬态光响应。施加的恒定电压为1V。(b)另一组1.5 nm玻璃态石墨烯光电探测器在808和980 nm激光照射下的光响应动力学。施加的恒定电压为1V。(c) 在1 V偏置电压、405 nm激光照明、不同照明功率密度下，玻璃态石墨烯光电探测器(5.4 nm)的功率依赖性瞬态光响应。(d)由功率函数拟合的光电流与功率密度。(e)响应度和探测率与功率密度的关系。(f)玻璃态石墨烯光电探测器在偏置电压下(上图)和光照下(下图)的能带结构。
 
 
图4.玻璃态石墨烯器件的液态丙酮传感特性和玻璃态石墨烯/石英的静滴测量结果。在(a)V_bias= 0.5 V和(b)不同V_bias时，0.9-nm FGD的动态检测响应。(a)中的插图显示了用于传感的玻璃态石墨烯器件结构示意图。(c) 2-nm FGD和(d) 25-nm MGD的动态检测响应。(e) 30µL丙酮分别在0.9 nm和25 nm玻璃态石墨烯/石英表面的接触角随时间的变化。(f) 0.9-nm和(g) 25-nm玻璃态石墨烯在石英上丙酮接触角的延时图像序列。(a)、(c)和(d)中的红色箭头表示通道与丙酮液滴接触的时间点。
 
 
图5. 能带结构和传感性能比较结果。(a)FGD和(b)MGD的对齐能带结构示意图。分子模型表示丙酮分子。黑色、白色和红色的球分别代表碳原子、氢原子和氧原子。感测(c)IPA和(d)甲醇时2-nm FGD的动态检测响应。箭头表示玻璃态石墨烯通道与分析物接触的时间。器件检测不同VOC液体时(e)电流变化率和(f)信噪比(SNR)随厚度的变化趋势及其电导率。(g)FGD和石墨烯器件之间的电流变化率比较。（h） FGD和石墨烯器件之间的压敏SNR比较。所需的最低SNR为3。
 
       相关研究成果由伦敦大学学院电子与电气工程系、电子科技大学基础与前沿科学研究院Xiao Li等人于2021年发表在SCIENCE CHINA Materials (https://doi.org/10.1007/s40843-020-1601-9)上。原文：Multifunctional two-dimensional glassy graphene devices for vis-NIR photodetection and volatile organic compound sensing。

转自《石墨烯研究》公众号