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清華大學在三維石墨烯光電傳感器研究取得重要進展 日期:2019.02.21

         導讀:石墨烯具有獨特的零帶隙結構、超快的載流子遷移率等優點,是製造高性能光電傳感器的理想材料。

  近日,清華大學微納電子所教授劉澤文、北京交通大學電子信息工程學院鄧濤副教授聯合團隊在國際著名學術期刊《納米快報》(Nano Letters)上發表了題為《基於三維石墨烯場效應管的高性能光電傳感器》(”Three-Dimensional Graphene Field-Effect Transistors as High Performance Photodetectors”)的研究論文。該論文利用自卷曲方法製造了一種微管式三維石墨烯場效應管(3D GFET),可用作光電傳感器,實現對紫外光、可見光、中紅外光、太赫茲波的超高靈敏度、超快探測。


基於三維石墨烯場效應管的高性能光電傳感器示意圖

  光電傳感器是光通信、成像、傳感等許多領域的核心元件。石墨烯具有獨特的零帶隙結構、超快的載流子遷移率等優點,是製造高性能光電傳感器的理想材料。傳統的石墨烯光電傳感器多采用平麵二維(2D)GFET結構,具有超寬的帶寬和超快的響應速度。但是,由於單層石墨烯對光的吸收率隻有2.3%,導致2D GFET光電傳感器的響應度很低(~6.3 mA/W)。雖然將石墨烯與光敏物質相結合可以大幅度提高光電傳感器的響應度,但是帶寬和響應速度會嚴重受損。
 
該研究提出了一種利用氮化矽應力層驅動2D GFET自卷曲為微管式3D GFET結構的方法,首次製造出了卷曲層數(1-5)和半徑(30 μm-65 μm)精確可控的3D GFET器件陣列。這種3D GFET可用作光電傳感器,工作波長範圍從紫外光(325 nm)區域一直延伸至太赫茲(119 μm)區域,為已經報道的基於石墨烯材料的光電傳感器帶寬之最。同時,這種3D GFET兼具超高的響應度和超快的響應速度,在紫外光至可見光區域的響應度可達1 A/W以上,在太赫茲區域的響應度高達0.23 A/W,響應時間快至265 ns(納秒)。該研究所提出的製造方法不僅為3D石墨烯光電器件與係統的實現鋪平了道路,還可以推廣至二硫化鉬、黑磷等其他類石墨烯2D晶體材料。審稿人高度評價該研究成果,認為該研究對整個二維材料研究領域具有重要意義。
 
該論文的第一作者為清華大學微納電子學係2015屆畢業生、現北京交通大學電子信息工程學院鄧濤副教授。清華大學微納電子所劉澤文教授、北京交通大學電子信息工程學院鄧濤副教授為該論文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金和中央高校基本科研業務費項目的支持。

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