新型石墨烯光電晶體管：有望用於檢測輻射！

導讀

開發基於石墨烯的高靈敏度光電探測設備，目前存在一些技術障礙。然而美國普渡大學的研究人員將石墨烯和碳化硅基質相結合，設計出了新型石墨烯場效應管，有望跨越這一障礙，並廣泛應用於高速通信、超靈敏攝像頭、可穿戴設備、輻射檢測等領域。

技術關鍵字

光電、石墨烯、晶體管

研究背景

「石墨烯」，是一種非常典型的二維材料。從結構上來講，石墨烯是由一層碳原子組成，具有蜂巢結構的單層薄片。正是由於特殊的結構，石墨烯在導電、導熱、強度、穩定性等方面，都表現出極其優秀的特性，應用領域十分廣泛。

（圖片來源於: 普渡大學）

然而，對於光電器件來說，石墨烯的單層碳原子結構的價值也十分巨大。所以，研究人員一直都在努力嘗試開發基於石墨烯的光電探測器。在許多的工業應用中，光電探測器都起到了至關重要的作用。

可是，目前開發基於石墨烯的高靈敏度的光電探測器存在以下的瓶頸：

由石墨烯製成的光電探測器，只有很小一部分能夠感光，這一點限制了它的性能。

對於這個瓶頸，我們可以參考研究論文作者之一 Jovanovic 教授的說法：

「目前，在典型的基於石墨烯的光電探測器中，光響應只來自於石墨烯附近特殊的位置，這個區域比器件的尺寸小很多。然而，對於許多光電器件應用來說，需要在更大的區域獲取光響應和位置敏感度。」

創新探索

介紹這項創新之前，我們還是先了解一下相關的論文和研究團隊。

（圖片來源於: Erin Easterling/普渡大學）

研究論文發表於這周的《自然納米技術》雜誌。研究的主要參與者來自於普渡大學、密歇根州立大學和賓夕法尼亞州立大學。

論文作者有普渡大學物理學、天文學和計算機工程學的教授，普渡量子中心的主任 Yong Chen、密歇根州立大學核能源工程和放射科學的教授 Igor Jovanovic、前普渡大學博士研究助理 Biddut K. Sarker、前賓夕法尼亞州立大學研究生 Edward Cazalas、普渡大學研究生 Ting-Fung
Chung、前普渡大學研究生 Isaac Childres。

根據陳（音譯）教授的說法，他們的基本方案如下：

將石墨烯和一種比它大很多的「碳化硅基質」相結合，製造出「石墨烯場效應晶體管」，簡稱（GFET，G代表graphene，FET代表Field Effect Transistor），它可以受到光線激活。

（圖片來源於: 普渡大學）

關鍵技術

對於這項創新的關鍵技術點，陳教授說：

「這是首次有人展示利用位於大片碳化硅晶片上的小片石墨烯，完成非局部的光電探測，這樣光線不需要照射石墨烯本身。這裡，光線可以照射更大的區域，幾乎達到一毫米，這是前所未有的。」

在碳化硅和石墨烯的背面之間，會有施加一個電壓，從而在碳化硅中建立一個電場。入射光線在碳化硅中產生「光生載流子」。

（圖片來源於: Erin Easterling/普渡大學）

Jovanovic 教授解釋道：

「半導體提供了一種和光線交互的媒介，當光線進來的時候，器件的一部分變得導電，這樣改變了作用於石墨烯的電場。」

這種電場的變化，也導致了石墨烯本身的導電性的變化。這種方法被稱為「場效應光電探測」。

碳化硅是「無摻雜的」，這點和基於硅晶體管傳統的半導體不同。這種「無摻雜」使得材料成為一種絕緣體，除非它暴露於光線的情況下，才使得它變得部分導電，改變石墨烯上的電場。

創新價值

高性能光電探測器，對於高速通信、天體物理學使用的超敏感攝像頭、感測、可穿戴電子設備等應用來說，具有十分高的價值。基於石墨烯的晶體管陣列，會帶來高解析度的成像和顯示。

（圖片來源於: 普渡大學）

這項研究中，當碳化硅在離石墨烯很遠的地方被光線照射時，該器件也會對於光線作出響應。根據材料被照射的部分，性能最高可以提升10倍。這種新的光電晶體管也是「位置靈敏的」，也就是說，它可以判斷光線照射的位置，這對於成像和探測器的應用來說十分重要。

另外，Igor Jovanovic 教授說：

「對於大多數攝像頭來說，你需要很多的像素點。然而，我們的方案將帶來一種非常靈敏的攝像頭，你只需相對較少的像素點，還可以擁有較高的解析度。」

應用價值

這項研究有利於開發出基於石墨烯的新型感測器，這種感測器可用於檢測輻射。陳教授說：

「這篇特殊的論文涉及檢測光子的感測器，但是原理和檢測其它類型的輻射一樣。我們使用這種靈敏的石墨烯晶體管，檢測由輻射量子引起變化的電場，這個案例中是光線，和碳化硅基質進行交互。」

光線探測器可以用於一種稱為閃爍計數器的設備，它被用於檢測輻射。電離輻射會產生短暫的閃光，在閃爍計數器中，它會被一種稱為「光電倍增管」的器件檢測到，這已經是上個世紀的老技術了。

Jovanovic 教授說：

「所以，對於開發基於半導體的先進器件，能夠完成同樣的功能，大家有著很多興趣。」

未來展望

目前，研究人員也通過數學模型解釋了這項研究成果。晶體管在普度大學探索公園的Birck 納米技術研究中心製造。

未來的研究也將包括拓展例如閃爍計數器、天體物理成像技術、高能輻射感測器等方面的應用。

參考資料

【1】http://www.purdue.edu/newsroom/releases/2017/Q2/graphene-phototransistor-promising-for-optical-technologies.html

【2】https://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2017.46.html

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