基于铌酸锂基底铁电极化的宽带、高灵敏度石墨烯光电探测器

撰稿|由课题组供稿

近日，暨南大学理工学院关贺元副教授、卢惠辉教授和深圳大学张晗教授合作，通过铌酸锂（体材料和薄膜）铁电极化实现石墨烯P-N掺杂，构建P-N型石墨烯同质结，制备出基于铌酸锂基底铁电极化的宽带、高灵敏度石墨烯光电探测器。相关工作“Broadband, High-Sensitivity Graphene Photodetector Based on Ferroelectric Polarization of Lithium Niobate ”在国际光学权威期刊Advanced Optical Materials上发表。

光电探测器作为将光转化为电的光电子器件，在光通信、视频成像和工业安全等领域都有着广泛的应用。传统的光电探测技术主要是以硅或二氧化硅作为器件基底，在摩尔定律的影响下，器件小型集成化的难度增大，并且光电探测器的性能也受到了限制。

为了解决以上问题，研究人员开始使用二维材料来提高微纳光电探测器的性能，其中石墨烯具有宽带宽吸收、可调能带和高载流子迁移率等优异光电性能，使得基于石墨烯的光电探测器引起了广泛的研究。近年来，二维材料与铁电材料相结合有望制备出高性能的光电子器件。铌酸锂是在集成光学、非线性光学器件和光电子器件领域中重要铁电材料，具有高热释电系数、自发铁电极化和宽透光范围等优点，在光电探测领域具有巨大的潜力。因此，研究团队通过铌酸锂铁电极化实现石墨烯P-N掺杂，构建P-N型石墨烯同质结，制备出了具有宽探测范围、高响应度、高比探测率和快响应速度的基于铌酸锂基底的石墨烯光电探测器。

研究团队分别使用厚度为500 μm的铌酸锂体材料和厚度为700 nm铌酸锂薄膜（@济南晶正电子NanoLN）作为器件基底，制备出基于铌酸锂基底的石墨烯光电探测器如图1所示。其中，基于铌酸锂块材基底的石墨烯光电探测器可用于405 nm-2000 nm宽光谱探测，在24 pW光功率（λ = 1064 nm）下的响应度为~2.92×10⁶ A/W、具有~8.65×10¹⁴ Jones的比探测率，响应上升/下降时间分别为~23 ms/~23 ms。基于铌酸锂薄膜（@济南晶正电子NanoLN）基底的石墨烯光电探测器在405 nm-2000 nm范围内也具有宽光谱探测，在25 pW入射功率（λ = 1064 nm）下的响应度为~1.78×10⁵ A/W、具有~3.32×10¹¹ Jones的比探测率。在808 nm入射激光下响应上升/下降时间分别为~3.3 ms/~2.1 ms。与已经报道的光电探测器相比，该器件表现出优异的光电性能。

图1. 基于铌酸锂基底的石墨烯光电探测器

在研究过程中，当激光辐照在x-cut铌酸锂上，铌酸锂吸收热量产生温度梯度的变化，使得铌酸锂自发的铁电极化发生改变，器件会瞬间产生尖峰电流，随后随着时间呈现指数衰减的变化。当关闭激光时，铌酸锂温度又发生改变，此时器件会瞬间产生反向的尖峰电流，随后也随着时间呈现指数衰减的变化。通过周期性开/关激光，分别测试电极1-2和电极3-4两侧的热释电流，在有光照的情况下产生正向电流，在无光照的情况下产生负向电流，如图2（c）-（d）。由于连接电极1-2和电极3-4两侧所产生的热电流相同，表明在电极1-2和电极3-4两侧累积的电荷类型是相同的。同样地，通过周期性开/关激光，分别测试电极1-3和电极2-4两端的热释电流。连接电极1-3，器件在有光照的情况下产生正向电流，在无光照的情况下产生负向电流，如图2（e）。但是连接电极2-4时，器件在有光照的情况下产生负向电流，在无光照的情况下产生正向电流，如图2（f）。由此可见，在电极1-3和电极2-4两侧累积的电荷类型是相反的。此时，如果在图2（a）的铌酸锂基底上转移石墨烯，不同区域的电荷对石墨烯掺杂情况不同，电极1-3处会进行P型掺杂，电极2-4处会进行N型掺杂。

图2.（a）和（b）分别是有光照时和无光照时，铌酸锂基底的热释电荷分布图（箭头表示铌酸锂铁电极化方向）；（c）连接电极1-2，器件测得的热释电流；（d）连接电极3-4，器件测得的热释电流；（e）连接电极1-3，器件测得的热释电流；（f）连接电极2-4，器件测得的热释电流

在相同环境下，持续辐照器件，分别测试电极1-3、1-2和3-4端的基于铌酸锂块材基底的石墨烯光电探测器I-V曲线，如图3（a）。通过对比可知，石墨烯在不同区域内掺杂类型不同，电极1-3处于石墨烯P型区，电极2-4处于石墨烯N型区，电极1-2处于石墨烯P-N型区。石墨烯P-N同质结能带弯曲，如图3（b）所示。在P型区域中，由于铌酸锂的热释电产生的正电荷掺杂，石墨烯的费米能级从狄拉克点移向价带。同样地，在N型区域中，石墨烯的费米能级从狄拉克点移向导带。在热平衡状态下，P型区域和N型区域的费米能级保持一致，N型区域的费米能级高，电子从N型区域流向P型区域，使得能带向上弯曲。由于P型区域处于电子填充，能带向下弯曲。图4展现器件在不同波长和光功率下光电探测响应性能。

二维材料和铁电材料的结合是下一代高性能微纳光电器件具有吸引力的研究领域。这种基于铌酸锂基底铁电极化增强的光电探测器研究为下一代多功能、节能和光电探测和成像应用提供参考。

图3.（a）在相同环境下，测试器件的电流-电压（I-V）曲线（黑色，蓝色和红色线分别表示数字源表连接电极1-3、连接电极2-4和连接电极1-2）；（b）器件处于掺杂状态下的P-N型同质结能带图

图4（a）-（f）是基于铌酸锂薄膜基底的石墨烯光电探测器分别在激光波长为405 nm、532 nm、660 nm、808 nm、1064 nm和2000 nm辐照下，不同辐照功率与响应时间之间的关系（偏置电压V_bias = 0 V）

https://doi.org/10.1002/adom.202100245

Guan H, Hong J, et al. Broadband, High-Sensitivity Graphene Photodetector Based on Ferroelectric Polarization of Lithium Niobate. Advanced Optical Materials, 2021, 2100245.

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