Light:光调制石墨烯-有机异质结晶体管实现光电流逻辑功能

近日，电子科技大学联合中科院上海技术物理研究所与南京大学等提出利用光调制方法在石墨烯-有机异质结三层结构中实现光电流速度、大小以及逻辑方向的调制策略。

图片来源：Light: Science & Applications

撰稿 | 韩嘉悦

石墨烯由于其良好的光电特性如超高的迁移率、零带隙以及能级易调控等使得其在光电探测领域和光电晶体管领域有着巨大的发展潜力。特别近年来魔角石墨烯在超导等基础量子输运领域掀起了一波新的石墨烯新型器件制备的浪潮。利用这些特性制备各类石墨烯新型高性能光电器件成了研究人员的热点方向，但单层石墨烯吸收低导致探测器件效率受限，异质结辅助吸收是提升器件性能的一种有效方案。

近日，电子科技大学联合中科院上海技术物理研究所与南京大学等提出利用光调制方法在石墨烯-有机异质结三层结构中实现光电流速度、大小以及逻辑方向的调制策略。他们利用石墨烯光栅辅助增强结构与有机小分子给受体双层异质结结构的复合设计，实现了高响应快速的光电探测器制备，通过引入调制光信号提升探测器响应大小和速度。同时依靠中间有机传输层厚度调节光生载流子扩散影响和强电子吸收特性，协同双异质结竞争机制，实现了在光调制下实现了光电流信号的逻辑反相功能。

现有石墨烯等二维材料光电器件一般是利用PN结增强其光激子分离与传输收集，从而产生电信号，垂直结构器件的光电器件效率在20%左右且响应速度一般在微秒量级而其响应度较低，而利用光电导结构制备的器件牺牲了响应速度，以提高响应度到上百A/W以上。由于单层石墨烯在吸收波段吸收率较低，研究人员一般将石墨烯作为光载流子收集层，而寻找另外一种强吸光材料作为光探测的主体材料。为了获得较好增益以及超高光灵敏度的光电探测器件，石墨烯光栅（Photogating）辅助增强结构是这类高光响应度器件的主要结构。

但是现有光栅辅助增强结构光电晶体管主要使用单层或单组份有机、无机材料作为石墨烯光电导器件的光吸收增强层，这种结构使得光吸收层的激子分离效率较低，垂直方向上缺少有效的解离内建电场仅仅利用石墨烯与光吸收层之间的较弱电场进行分离，这类型器件常仍会损失较多光能量，使得其外量子效率较低。

鉴于上述单层光吸收增强石墨烯器件出现了的激子分离率较低的情况，研究人员在石墨烯上提出双层或者体异质结增强光吸收并且改善激子解离率。在这类型器件中，石墨烯上层结构需要分离与注入同时兼备，二型异质结的能带结构最为合适。由于垂直方向缺少外加电场，需考虑异质结厚度的注入影响。

传统光电器件一直是栅极电压的调制为主，相比电调制，光调制的开拓应用空间广阔。近年来光调制器件在受到广泛关注。本论文基于前期研究石墨烯-有机多层异质结中双向光电流研究工作工作 [Advanced Materials 30.49（2018）:1804020]，进一步开展光调制光电探测器件研究，实现光调制下的光电流正负转换的功能，并能够增强探测器响应率和提高探测器响应速度。

本文在前期石墨烯/C60/并五苯的三层结构光电导器件产生的双向光电流响应（即在405-650 nm为负响应，在808-1550 nm为正响应）的工作基础上，进行两个波段的相互调制。由于这两个响应的响应产生机制不同，从而可以通过光调制产生不同情况的光电流调制效果。

在可见光波段主要的负响应是由C60/并五苯异质结的photogating效应产生的，而近红外正响应由石墨烯与C60作用产生。石墨烯在室温大气环境中主要受到水汽和氧气的掺杂而呈现空穴主导型，由C60/并五苯响应的光生电子将会随着内建电场的作用进入石墨烯对石墨烯进行电子掺杂从而产生负响应。而石墨烯与C60异质结产生的光生电子将会进入C60，使得石墨烯空穴掺杂加深。这两种相反的光掺杂效果为这两个波段的相互调制提供了有利条件。

首先将可见光的负响应作为输入响应，利用红外光作为光调制源进行光调制，发现在功率不同的情况下可以实现输入光响应的抑制与增强，且这种增强效果需要输入光功率与光调制功率有一定的匹配关系。还在不同厚度中间传输层器件中进行了更加深入的研究，发现在不同厚度的对照组实验中，在相同输入与调制光功率不变的的情况下，也可以实现输入光的抑制与增强，说明在不同中间层厚度的器件输入与调制光功率的匹配值不同。

接着将红外光作为输入信号光，而可见光作为调制光，继续进行光调制测试。发现在可见光的调制下，红外光响应总是处于抑制衰减情况，其响应速度有10倍提升。

利用有机材料的激子分离有效距离不超过10nm的限制，制备了超过10nmC60的对照组器件，使得部分并五苯的光生电子在传输过程中被耗尽。探究发现此时可见光波段的不同输入光功率的光电流开始出现正负响应变化，利用这个现象，可见光作为输入光源而红外光作为调制光源的调制可以对输入可见光的正负实现逻辑转换，并且关闭近红外调制光之后，输入光响应可以恢复到原态。接着还利用405nm接近于紫外光的响应对石墨烯进行退掺杂调制，使得其他波段的可见光可以观察到一个缓慢的由负变正的完整过程，并且在整个过程中响应速度也是一直在动态变化。

本文所提出的石墨烯-有机异质结探测结构和引入调制光调制的方法为将来制备全光输入光电调制器件提供了重要参考，以及利用有效激子长度临界值调制的正负逻辑光电流响应为未来光电流极性调制及光逻辑器件研究提供了新途径。

该研究成果以"Light-Modulated Vertical Heterojunction Phototransistors with Distinct Logical Photocurrents" 为题在线发表在Light: Science & Applications。

本文第一作者为电子科技大学博士生韩嘉悦，通讯作者为电子科技大学王军教授、中科院上海技术物理研究所胡伟达研究员和南京大学王欣然教授。

https://www.nature.com/articles/s41377-020-00406-4