理化所等在實現超寬帶光探測方面取得進展

　　寬帶光探測器廣泛應用于很多重要領域，包括紅外成像、遙感、環境監測、天文探測、光譜分析等。特別是在紅外成像領域，要實現真正意義上的多色紅外成像，探測器必須能同時探測不同波段的紅外輻射，如短波紅外（1~3mm）、中波紅外（3~5mm）、長波紅外（8~14mm）、甚長波紅外（>14mm）、甚至是太赫茲波（30~3000mm）輻射，具有相當大的挑戰性。目前，為了在一定程度上實現多色紅外成像，多是將適于探測不同紅外波段的多個探測器集成在一起，并且確保這些探測器同步工作，從而導致器件結構和工藝相當復雜。

　　中國科學院理化技術研究所賀軍輝研究員領導的研究團隊和清華大學孫家林教授團隊合作，在實現超寬帶光探測方面取得新進展，制作了還原氧化石墨烯—硅納米線陣列異質結光探測器，實現了一個探測器就可以完成從可見光（532nm）到太赫茲波（2.52THz，118.8mm）的超寬帶光探測，達到了以往多個探測器同時工作才能達到的探測帶寬。

　　化學剝離石墨制備的氧化石墨烯的還原產物稱為還原氧化石墨烯，具有天然的能隙，而且這個天然的能隙可通過氧化石墨烯的還原程度來調控：隨著氧化石墨烯還原程度的提高，能隙從10~50meV（對應于波長范圍124~24.8mm的電磁波能量）到接近于零。顯然，這個天然的10~50meV窄能隙適合探測紅外（2.5~30mm）和太赫茲波（30~3000mm）。但石墨烯的光吸收率較低，不利于實現高靈敏度探測；而且，還原氧化石墨烯的幾十毫電子伏特的能隙不適宜探測可見和近紅外光。

　　硅納米線陣列具有兩個獨特的優點，可以在一定程度上彌補還原氧化石墨烯的不足：其一，硅1.12eV的帶隙，使得硅納米線陣列適合探測可見和近紅外光；其二，有序排列的納米線陣列結構可以強烈地抑制光的反射，進而提高器件的光捕獲能力。

　　科研人員將還原氧化石墨烯和硅納米線陣列兩者的優勢結合，制作了還原氧化石墨烯—硅納米線陣列異質結光探測器。該異質結探測器在室溫下，首次實現了從可見光（532nm）到太赫茲波（118.8mm）的超寬帶光探測。他們還發現，氧化石墨烯的還原程度對探測性能有顯著影響，隨著氧化石墨烯還原程度的提高，探測器的響應率可以提高5倍以上。在所有波長中，探測器對長波紅外（10.6mm）的響應率最高，為9mA W-1。由于人體紅外輻射峰值波長為9~10mm，實驗驗證，該探測器對人體紅外輻射具有靈敏的響應，可用于人體紅外傳感如夜視領域。因此，還原氧化石墨烯—硅納米線陣列異質結光探測器在超寬帶光探測方面，特別是寬帶紅外光探測方面具有良好的應用前景。

　　相關結果發表在Small期刊上，并被MaterialsViewsChina.com作為Research News詳細報道。該工作得到國家自然科學基金、科技部“973”計劃、科技部“863”計劃以及清華大學低維量子物理國家重點實驗室開放基金的資助。

探測器結構示意圖及其對可見(VIS，532nm)、近紅外(NIR，1064nm)、中紅外(MIR，10.6m)和太赫茲(THz，118.8m)的動態光響應特性。