石墨烯二维材料助力,高效全光纤光电探测器

日期:2018-12-06 / 人气: / 编辑:jutan / 来源:互联网

光纤自发明以来获得了快速的发展,现在已经广泛地应用在了通信、传感、激光等诸多领域。然而,传统的光纤收到了本身材料的限制而不具备光电的性能,因此将二维材料作为光电材料与光纤进行集成来赋予光纤光电性质成为了一个新兴的发展趋势,并且诞生了诸多光纤体系兼容的光电子器件,如光纤光电探测器、新型激光器等。

自石墨烯问世以来,具有一定带隙的过渡金属二硫化物(TMDCs)、黑磷(BP)等类石墨烯二维材料自石墨烯的发现之后被陆续发现,它们以其良好的光电性能,被广泛的运用在光电二极管、光电晶体管、光电探测器的领域。但是,一方面,受限于电子迁移率以及缺陷的影响,其响应度往往难以做到极高,响应速度也较为缓慢;另一方面,受限于二维半导体材料本身带隙的限制,其探测波长范围往往较小,局限在可见光波段。

不少研究将石墨烯与一种类石墨烯二维材料结合,可以增强类石墨烯二维材料的载流子迁移率,从而大幅提高探测器的光响应度,但是响应速度依然较慢,探测波长范围依然较小。 近期,南京大学徐飞教授、陆延青教授将石墨烯与二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)这两种能带交错的二维材料结合形成范德瓦尔斯异质结,同时兼具了高光响应度、高响应速度、宽的探测波长范围,从而实现高性能的光电探测。

一方面,利用二维材料之间具有的不同的功函数,形成了一个内建的电场从而加速电子、空穴分离和复合的速度,从而提高响应速度以及量子效率;另一方面,利用二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)之间由于能带交错而存在的层间的电子跃迁,可以降低入射光子所需的能量,从而扩展探测波长范围。 光纤兼容光电探测器相比于平面探测器具有更小的插入损耗,而且由于光仅局域在光纤的纤芯之中传输,因此无需平面体系的聚焦装置,具有更小的体积。

但由于光纤体系难以使用平面体系的诸多如光刻、印刷等诸多工艺,因此将二维材料与光纤集成也面临难题。这项研究使用了一种微操作的方法,成功地利用光纤探针转移所需二维材料到光纤端面并牢固地结合。经过测试,该光纤光电探测器具有达到~6.6×107 A·W-1超高的光响应度,达到~7 ms的快速响应,同时可以实现可见到近红外波段弱光探测功能,在1550 nm波段的响应度高达17.1 A·W-1。同时,该研究还发现,该光电探测器在强光探测时同时存在光电导效应和光热效应,使得光电流符号发生反转。

研究人员相信,此项研究可以为发展新型光电器件以及光纤集成二维材料提供新的技术以及新的思路,而且光纤光电体系还有巨大的发展空间。