Dynamische Steuerung der Hochbereichs-Photoempfindlichkeit in einem Graphen-Nanoband-Photodetektor

Einführung

Graphen, ein zweidimensionales (2D) geschichtetes Material, spielt in vielen Bereichen eine wichtige Rolle, darunter Elektrodialyse [1], Batterien [2], Nanofiltration [3], Katalyse [4], elektromagnetische Interferenz [5] und Optoelektronik. Bezeichnenderweise hat Graphen aufgrund seiner neuartigen optoelektronischen Eigenschaften [6,7,8,9], wie z. fünfzehn]. Daher wurde Graphen als attraktives Material für optoelektronische Anwendungen angesehen [16,17,18]. Die geringe Absorption (~ 2,3%) des Monolayer-Graphen aufgrund seiner geringen Dicke ist jedoch immer noch eine kritische Herausforderung [19]. Andererseits schränkt seine Zero-Bandgap-Eigenschaft die optoelektronischen Anwendungen stark ein, was eine kurze Lebensdauer photogenerierter Ladungsträger (~ps) verursacht und zu einer schnellen Elektron-Loch-Rekombination führt [20, 21]. Infolgedessen bleibt die weitere Verbesserung der Ansprechempfindlichkeit des makellosen Graphen-Photodetektors eine Herausforderung, und es ist von erheblicher Bedeutung, die Elektronen und Löcher zu trennen, um einen effizienten Photostrom zu erzeugen.

Um diese Herausforderungen zu meistern, wurden verschiedene Techniken erforscht und die Photoempfindlichkeit von Photodetektoren auf Basis von Graphen entsprechend verbessert. Eine wesentliche Rolle für die hohe Leistungsfähigkeit von Photodetektoren spielt der Photogating-Effekt [22], der üblicherweise bei Photodetektoren auf Basis niederdimensionaler Materialien und deren Hybridstrukturen beobachtet wird. Fotodetektoren basierend auf MoTe₂ [23] und MoS₂ [24] unter Verwendung des Photogating-Effekts wurde berichtet, und es wurden auch Photodetektoren mit hervorragender Leistung auf der Basis von Graphen unter Nutzung des Photogating-Effekts erzielt. Es wurde gezeigt, dass die Kombination von Graphen- und PbS-Quantenpunkten ein effektiver Weg ist, um die Lichtabsorption zu verbessern und eine ultrahohe Verstärkung in einem Graphen-Photodetektor zu erzielen [25]. Außerdem könnte die Rekombination von Elektronen und Löchern auch in einem auf Heterostrukturen basierenden Photodetektor wie Graphen-Ta₂ . minimiert werden O₅ -Graphen [26], bei dem die photoinduzierten Elektron-Loch-Paare über Quantentunneleffekte getrennt wurden, was zu einer starken Verbesserung der Photoempfindlichkeit und des Gewinns führte. Die Reaktionszeit eines solchen Hybridstruktur-Photodetektors wurde aufgrund der langen Einfangzeit der Ladungsträger in den PbS-Quantenpunkten oder in der Ta₂ . erheblich verlängert O₅ Tunnelbarriere. Daher ist es sehr gefragt, dass der Photodetektor auf Graphenbasis hervorragende Leistungen in Bezug auf Ansprechempfindlichkeit, Reaktionszeit und Spektralempfindlichkeit bietet.

Hier schlagen wir einen Photodetektor basierend auf 20 nm breiten Graphen-Nanobändern vor und demonstrieren seine Photoempfindlichkeit (bis zu 800 AW ⁻¹ ) und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit (~ 10 μs). Diese hohe Leistung wird hauptsächlich der beträchtlichen Bandlücke in den GNRs zugeschrieben, die durch den Photogating-Effekt am Silizium/Silizium-Oxid (Si/SiO₂ ) Schnittstelle. Der physikalische Mechanismus des Detektors wurde durch die Energiebanddiagramme erklärt. Darüber hinaus kann der auf GNRs basierende Photodetektor durch Source-Drain- und Back-Gate-Spannung abgestimmt werden. Die beobachtete hohe Leistung ebnet im Wesentlichen den Weg für die Entwicklung hochempfindlicher und ultraschneller Graphen-Photodetektoren.

Experimentelle Methoden

Die Graphenschicht wurde auf ein Si-Substrat (bedeckt mit 300 nm SiO₂ ) aus der Graphitmasse (Sorte ZYA, SPI Supplies) durch die mikromechanische 3M-Band-Spaltungstechnik. Graphen-Nanobänder mit einer Breite von 20 nm wurden durch reaktives Ionenätzen (RIE, PE-3A) und Elektronenstrahllithographie (EBL, Raith BV EBPG5150) hergestellt. Danach werden das Monolayer-Graphen und das Graphen-Nanoband auf dem SiO₂ Dielektrikum wurden mit einem Lichtmikroskop und Raman-Spektroskopie (WITec Alpha 300R) charakterisiert. Standard-Photolithographie und Elektronenstrahlverdampfung von Ti/Au (20 nm/80 nm) wurden verwendet, um die Source- und Drain-Elektroden zu erzeugen. Acht Geräte (16 GNRs) wurden hergestellt, von denen 5 eine hervorragende Leistung aufweisen. Alle Messungen wurden mit einem selbstgebauten System durchgeführt, das aus einer Laserlichtquelle, einem optischen Chopper, einem 4-Sonden-Tisch und einem Halbleiterparameteranalysator bestand. Ein Substrat aus niedriger dotiertem Silizium (P-Typ 10–20 Ω cm) wurde verwendet, um den Photogating-Effekt zu verstärken. Ein sichtbarer Ti:Saphir-Laser mit einer Wellenlänge von etwa 632 nm wurde verwendet, um Laserpulse innerhalb einer Fläche von 6,25 mm ² . zu erzeugen bei Raumtemperatur. Die Frequenz des einfallenden Lichts wurde mit einem optischen Chopper in einem Bereich von 5 Hz bis 50000 Hz moduliert. Außerdem konnte die einfallende Laserleistung von 0,34 mW bis 5 mW eingestellt werden. Die in den Abbildungen gezeigten Daten, einschließlich des Stroms (Abb. 1c, d, 2a–d, 3a, b, 4a–d und 5a, b), wurden von einem Halbleiterparameteranalysator (Agilent, B1500A) mit oder ohne Beleuchtung erhalten . Alle Photoreaktionsmessungen wurden unter Umgebungsbedingungen durchgeführt.

a Eine schematische Darstellung des GRN-Photodetektors. Es ähnelt dem FET-Bauelement, das aus der Source- und der Drain-Elektrode auf dem Si/SiO₂ . besteht Substrat mit einem leicht dotierten Si-Wafer als Backgate. Das einfallende Licht wurde durch einen optischen Zerhacker variabler Frequenz moduliert. b SEM-Bild des GRN-Photodetektors. c Strom-Spannungs-(I-V)-Eigenschaften des GRN-Bauelements bei unterschiedlicher Back-Gate-Spannung. Einschub:I-V-Kennlinie des Geräts bei Dunkelheit (rote Linie) oder Beleuchtung mit einer Frequenz von 10 Hz (blaue Linie). d Der Source-Drain-Strom gegenüber der Back-Gate-Spannungsvorspannung des GNR-Photodetektors bei Raumtemperatur. Einschub:schematisches Diagramm der GNR-Bandstruktur

a Zeitabhängige Photostrommessungen des Geräts ohne Vorspannung von Back-Gate- und Source-Drain-Spannung unter Ein-Aus-Licht-Modulation (632 nm) bei Raumtemperatur. Der zeitabhängige Photostrom wurde unter Laserbeleuchtung mit einer Frequenz von 40 Hz gemessen (b ), 400 Hz (c ) und 5000 Hz (d ). e Schematische Darstellung des GNR-Photodetektors. f Energiediagramm der Grenzfläche zwischen Si und SiO₂ bei Lichtbeleuchtung. E _C , E _V , E _fs , und E _VAC sind das Leitungsband, das Valenzband, das Fermi-Niveau bzw. das Vakuumniveau. E _f und E _f “ sind die Fermi-Niveaus vor und nach der Injektion des Elektrons in den GNR-Kanal. E _g “ ist die Bandlücke von GNRs. Zwei Prozesse werden veranschaulicht:(I) elektronischer Übergang vom Werteband zum Leitungsband unter Beleuchtung in Si und SiO₂; (II) Lochtransfer von SiO₂ zu Si und photonenangeregten Ladungsträgern drifteten durch das eingebaute Feld

a Photostromabhängigkeit von der vorgespannten Source-Drain-Spannung. Photostrom-, Hintergrundstrom- und Photoreaktionsstrommessungen des GRN-Photodetektors bei Vorspannung der Backgate-Spannung. Die Abnahme des Photostroms mit einer Zunahme der vorgespannten Source-Drain-Spannung trug zur Verbesserung der Trenneffizienz von photoerzeugten Elektron-Loch-Paaren bei. b Abhängigkeit des Photostroms von der Back-Gate-Spannung. Die Abhängigkeit der vorgespannten Back-Gate-Spannung der Photostromkennlinien bei Vorspannung der Source-Drain-Spannung. Die Ergebnisse zeigen, dass der Photostrom durch Vorspannen der Source-Drain-Spannung und der Gate-Spannung moduliert werden könnte

Abhängigkeit der Lichtempfindlichkeit von der vorgespannten Source-Drain-Spannung und der Gate-Spannung. a und b zeigen die Source-Drain-Spannungsabhängigkeit der Photoempfindlichkeit bzw. der Verstärkung, c und d zeigen die Back-Gate-Spannungsabhängigkeit der Photoempfindlichkeit bzw. der Verstärkung

a Die zeitabhängigen Photostrommessungen unter der unterschiedlichen Leistung des einfallenden Lichts. b Die Leistungsabhängigkeit der Eigenschaften des Photostroms. Die Ergebnisse zeigen, dass der GRN-Photodetektor eine hohe Lichtempfindlichkeitseigenschaft besitzt, die eine Erfassung der optischen Eingangsleistung im mW-Bereich ermöglicht

Ergebnisse und Diskussion

Es wird erwartet, dass GNRs ein idealer Träger für die Photodetektion sind. Der von uns hergestellte GNR-Photodetektor bestand aus der Source- und der Drain-Elektrode auf einem Si/SiO₂ Substrat mit einem leicht dotierten Siliziumwafer als Backgate, wie in Fig. 1a schematisch dargestellt. Um die hohe Mobilität zu gewährleisten und gleichzeitig eine ausreichend große Bandlücke zu erhalten, wurde die Breite der Graphen-Nanobänder mit moderaten 20 nm gewählt. Die vollständige Struktur der GNRs ist in der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme (Abb. 1b) gezeigt, und die Länge der Graphen-Nanobänder betrug 2 μm. Anders als bei herkömmlichen Photodetektoren wurde das schwach dotierte Si als Substrat verwendet, da seine Ladungsträgerlebensdauer viel länger ist als die des stark dotierten Si [27].

Die elektrische Charakterisierung wurde wiederholt durchgeführt und die daraus resultierenden I-V _{S − D} Beziehung ist in Abb. 1c aufgetragen. Die Kurven unter verschiedenen Back-Gate-Spannungen in einem Bereich von – 10 V bis 10 V sind nichtlinear und asymmetrisch, was auf das Vorhandensein des internen elektrischen Felds hindeutet, das möglicherweise von den herstellungsbedingten Defekten oder der Schottky-Barriere an den Elektrodenkontakten herrührt . Das interne elektrische Feld hatte einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den Photostrom des GNR-Photodetektors, der später erläutert wird. Der Einschub ist der Vergleich der I-V-Eigenschaften des Geräts bei Dunkelheit und Beleuchtung (bei Anwendung eines Laserpulses mit einer Frequenz von 10 Hz), was die empfindliche optische Schaltabstimmbarkeit zeigt. Offensichtlich hat sich die I-V-Kurve als V . verschoben _G abwechslungsreich. Um die Wirkung von V_{G . weiter herauszufinden} von den Ladungstransporteigenschaften des GNR-Kanals wurden die Transfereigenschaften im dunklen Zustand bei Raumtemperatur aufgezeichnet, wie in Fig. 1d gezeigt. Das gemessene Ich _D – V _G Kurve bei V _SD =10 mV zeigte, dass unser Gerät ein typisches Verhalten des Graphen-basierten Photodetektors zeigte und die GNRs als p-Kanal mit einer Verschiebung von 20 V fungierten.

Bei typischen optoelektronischen Systemen bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit (gekennzeichnet durch die Gesamtzeit, die für das Ansteigen (Abfallen) des Ausgangssignals von 10 (90) % auf 90 (10) % der Impulsspitze) eines Photodetektors erforderlich ist, die Laufgeschwindigkeit und die Informationskapazität des Photodetektionssystems. Um die ultimative Reaktionszeit des hergestellten Geräts zu untersuchen, wurde das optische Eingangssignal mit unterschiedlichen Pulsfrequenzen von 40 Hz, 400 Hz und 50.000 Hz angelegt. Abb. 2b–d zeigen die entsprechenden zeitaufgelösten Gesamtphotoströme, die intuitiv widerspiegeln, dass der hergestellte Photodetektor mit ausgezeichneter Wiederholbarkeit effizient ein- und ausgeschaltet werden konnte. Wenn die Laserfrequenz auf 50.000 Hz eingestellt wurde, wurde die Anstiegszeit mit 10 µs gemessen. Wir glauben, dass unser Gerät voraussichtlich bei höheren Frequenzen über 50.000 Hz betrieben wird, und der genaue Wert der Ansprechgeschwindigkeit ist aufgrund der Beschränkung der Messausrüstung nicht klar. Es wurde festgestellt, dass der GNR-Photodetektor viel schneller läuft als die meisten Photodetektoren, die auf Graphen und anderen 2D-TMDs basieren [28,29,30,31]. Es wird angenommen, dass die schnelle Photostromumschaltung auf die ultrahohe Trägermobilität der GNRs dieser Breite und das starke externe elektrische Feld zurückgeführt werden kann.

Neben der schnellen Ansprechgeschwindigkeit sind eine hohe Ansprechempfindlichkeit und eine verbesserte Verstärkung für die Anwendung des Photodetektors unabdingbar. Daher haben wir durch Anwenden von Licht auf das gesamte Gerät bei Raumtemperatur die Photoreaktion des GNR-Photodetektors ohne Source-Drain-Vorspannung und Back-Gate-Spannung weiter untersucht. Abbildung 2a zeigt die zeitabhängigen Photostrommessungen des Geräts in Abwesenheit der Vorspannung unter Ein-Aus-Lichtmodulation. Der beobachtete Photostrom betrug 275 nA(I _Beleuchtung =293 nA, I _dunkel =18 nA) unter Beleuchtung, was auf eine hohe Lichtempfindlichkeit von R . hinweist =17,2 AW ⁻¹ und ein hoher Gewinn von G =1465 ebenfalls, berechnet über die folgenden beiden Gleichungen:

wo ich _P (275 nA) ist der Photostrom, während S _L (6,25 mm ² ) und S _G (2 μm×10 μm) sind die tatsächliche Fläche des Lasers bzw. das GNR und P (5 mW) ist die Leistung des einfallenden Lasers mit einer Wellenlänge von λ _in (532 nm). Es ist wichtig, den Mechanismus der Photostromerzeugung der GNR-Photodetektoren zu erforschen, um die hohe Leistung unserer Geräte zu verdeutlichen. Bei Photodetektoren auf Basis zweidimensionaler Materialien gibt es hauptsächlich zwei Mechanismen zur Erzeugung von Photostrom:den photoleitenden Effekt (PC) und den photovoltaischen Effekt (PV) [32].

Ohne Anlegen einer Source-Drain-Vorspannung war PV für die Photostromerzeugung verantwortlich, da die beiden eingebauten elektrischen Felder zwischen den GNRs und den Elektroden gebildet wurden. Die beiden elektrischen Felder hatten aufgrund von Fehlern, die im Herstellungsprozess gebildet wurden, nicht die gleiche Stärke. Als das Licht die Region an der Au-GNRs-Grenzfläche erreichte, wurden die photogenerierten Elektron-Loch-Paare erzeugt und anschließend durch die eingebauten Felder getrennt, was einen wesentlichen Beitrag zur Photostromerzeugung leistete. Unter einer Source-Drain-Vorspannung spielten die beiden eingebauten elektrischen Felder an der Au-GNRs-Grenzfläche jedoch nur eine geringe Rolle bei der Photostromerzeugung. Daher spielte PC die wichtigste Rolle bei der Photostromerzeugung im Fall des Anlegens einer Source-Drain-Vorspannung. Nach dem Absorbieren von Photonen erzeugte der GNR-Kanal mehr freie Träger, wodurch der Widerstand der Trägerkanäle verringert wurde. Daher ist ein signifikanter Photostrom I _P =\( \frac{V_{OC}}{R_G} \)( V _OK repräsentiert die Leerlaufspannung und R _G ist der Gesamtwiderstand des von den 16 Graphen-Nanobändern gebildeten Kanals) wurde beobachtet.

Wie in Abb. 2a–d zu sehen ist, ist ein μA -Niveau-Photostrom wurde beobachtet, was auf den Beitrag von drei Aspekten zurückzuführen sein könnte. Einer davon war, dass die Rekombinationsrate von Elektron-Loch-Paaren aufgrund der Bandlücke in den GNRs reduziert wurde. Die andere war, dass die photogenerierten Elektronen während des Übergangs vom Valenzband zum Leitungsband von den Midgap-Zuständen [33] eingefangen wurden, die durch die Kantendefekte von GNRs induziert wurden. Daher könnten die Löcher zwischen den Drain-Source-Elektroden zirkulieren, bevor die Löcher und die eingefangenen Elektronen rekombiniert werden, um den Photostrom zu bilden, wodurch eine hohe Verstärkung erreicht wird. Der dritte Aspekt war, dass die Ansammlung von Elektronen am SiO₂ Die /Si-Grenzfläche entsprach dem Anlegen eines vertikalen elektrischen Felds, und somit wurde die Leitfähigkeit des Kanals stark verbessert. Darüber hinaus wies der erhaltene Photostrom in Abb. 2a–d nur eine geringe Abhängigkeit von der Frequenz des einfallenden Lichts auf, das durch einen optischen Zerhacker moduliert wurde, was dem berichteten MoS₂ . ähnelt Photodetektor [24]. Der photoleitende Effekt spielte die Hauptrolle bei der Photostromerzeugung des GNR-Photodetektors, wenn die Lichtfrequenz durch den Chopper reguliert wurde. Wenn das Gerät jedoch Licht (0 Hz) ausgesetzt wurde, wäre der Photogating-Effekt im Prozess der Ladungsträgererzeugung signifikant, was zu Einfangen und Rekombination innerhalb von Halbleitern führte.

Der detaillierte physikalische Prozess des oben diskutierten dritten Aspekts wurde in Fig. 2e, f gezeigt. Um im Dunkeln einen Gleichgewichtszustand zu erreichen, würden Elektronen aus SiO₂ . diffundieren zu Si aufgrund des Unterschieds der Fermi-Niveaus zwischen den beiden Materialien, was zu einer Energiebandverbiegung am Si/SiO₂ . führte Schnittstelle. Als Ergebnis wurde im Verarmungsbereich ein starkes eingebautes elektrisches Feld (E) gebildet, das die durch Licht erzeugten Elektron-Loch-Paare effizient trennte, wobei sich die Elektronen zur Grenzfläche zwischen Si und SiO₂ . bewegten während die Löcher in den inneren Bereich von Si übertragen werden. Die Elektronen akkumulierten dann am SiO₂ /Si-Grenzfläche, und diese eingefangenen Elektronen legten eine zusätzliche negative vertikale Spannung an die GNRs an, wobei die Anwesenheit dieser Elektronen die Lochkonzentration erhöhte und das Fermi-Niveau des GNR-Kanals entsprechend senkte.

Obwohl das Gerät eine hohe Leistung aufweist, ist es wichtig, nach mehreren effektiven Ansätzen zu suchen, um den Photostrom und die Ansprechempfindlichkeit des Geräts deutlich zu steigern. Anschließend wurden die Auswirkungen der Source-Drain-Vorspannung und der Gate-Spannung auf den Photostrom systematisch untersucht. Abbildung 3a zeigt die Ergebnisse des Photostroms (I _Laser ), Hintergrundstrom (I _dunkel ) und Lichtreaktionsstrom (I _ph ) Messungen als Funktion der Source-Drain-Spannung (− 3 V ≤V _{S − D} ≤ 10 V) bei fester Gatespannung. Der Photostrom war bei V . nicht Null _{S − D} =0 und erhöht sich nichtlinear mit der Source-Drain-Spannung, was auch die Existenz eines eingebauten elektrischen Feldes beweist. Es ist klar, dass der Wert des Photostroms stark von der Source-Drain-Vorspannung abhängt.

Eine überzeugende Erklärung für die Abstimmbarkeit über die Source-Drain-Spannung ist, dass die Beziehung zwischen Photostrom, Hintergrundstrom und Photoreaktionsstrom als I . ausgedrückt werden kann _Beleuchtung =Ich _ph + Ich _dunkel , wo ich _ph und ich _dunkel erhöht mit Drain-Source-Spannung V _{S − D} weil die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger gestiegen und die Ladungsträgerlaufzeit unter einem äußeren elektrischen Feld verringert wurde [34]. Daher verbesserte sich die Trenneffizienz photogenerierter Träger, was wesentlich zu dem großen Photostrom beiträgt. Dieses Phänomen weist darauf hin, dass das gesamte elektrische Feld des GNR-Kanals, die Summe des internen elektrischen Felds und des externen elektrischen Felds, um V . moduliert werden kann _{S − D} .

Darüber hinaus wurde der Photostrom unseres Geräts unter Berücksichtigung der Gate-abstimmbaren Trägerdichte von GNR effektiv durch Modulieren der Back-Gate-Spannung angepasst. Abbildung 3b zeigt diese drei Arten von Strömen (I _Beleuchtung , ich _ph und ich _dunkel ) als Funktion der Back-Gate-Spannung (− 5 V ≤ V_G ≤ 5 V) bei V _{S − D} =0. Im Allgemeinen war der Photostrom positiv mit dem Absolutwert der Gatespannung korreliert, da die Ladungsträgerdichte des GNR empfindlich auf das externe vertikale elektrische Feld reagierte. Interessanterweise nahm der Photostrom mit steigender Gatespannung zu, wenn die Gatespannung negativ war (– 5 V ≤V_G ≤ 0 V) ​​und das Gegenteil trat ein, wenn die Gatespannung positiv war (0 V ≤V_G ≤ 5 V). Dieses Phänomen könnte durch das p-Typ-Verhalten des GNR-Kanals erklärt werden, das gut mit der Beobachtung in Abb. 2d übereinstimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass das erhöhte |V_G | kann das Fermi-Niveau des Kanals näher an das Valenzband (oder Leitungsband) abstimmen und die Leitfähigkeit des GNR-Kanals war Gate-abstimmbar. Insbesondere wurde für beide Modulationsverfahren (Source-Drain-Spannung und Back-Gate-Spannung) die Durchstimmbarkeit des Photostroms in einem ultraweiten Bereich von nA-Level bis μA-Level demonstriert.

Darüber hinaus könnten Ansprechempfindlichkeit und Verstärkung auch effizient durch Regeln der Gatespannung und der Source-Drain-Spannung des GNR-Photodetektors moduliert werden. Die Abhängigkeit von Verstärkung und Lichtempfindlichkeit des Source-Drain-Bias wurde berechnet [nach Gl. (1) und (2)] und anschließend in Abb. 4a, b aufgetragen. Für den auf GNRs basierenden Photodetektor ist die Beziehung zwischen der Verstärkung und V _{S − D} ist durch die folgende Formel gegeben:

wo τ ist die überschüssige Lochlebensdauer (eingeschlossene Lochlebensdauer) und τ _T = l ² /(μV _{S − D} ) ist die Laufzeit des Transportunternehmens, während l ist die Länge des Kanals und μ ist die Trägermobilität, während V _{S − D} ist der Source-Drain-Bias. Daher weisen die Verstärkung und die Source-Drain-Spannung eine positive Korrelation auf. Anscheinend G ist linear von der Source-Drain-Vorspannung abhängig. Dadurch wird die maximale Lichtempfindlichkeit von R =170 AW ⁻¹ und die maximale Verstärkung von G =14.500 wurden bei Raumtemperatur bei V . erreicht _{S − D} =0,5 V, was eine 100-fache Verbesserung gegenüber früheren Photodetektoren auf Graphen-Nanostruktur-Basis war [26, 35, 36]. Noch wichtiger war, dass die Werte von Verstärkung und Lichtempfindlichkeit nicht gesättigt waren. Folglich könnte eine höhere Verstärkung und Lichtempfindlichkeit erreicht werden, wenn eine größere Drain-Source-Spannung angelegt würde.

Abbildung 4c, d zeigt, dass die Photoempfindlichkeit und die Verstärkung auch durch Anlegen einer Back-Gate-Vorspannung zur Verbesserung der Ladungsträgerkonzentration der GNRs verbessert werden könnten. Die maximale Lichtempfindlichkeit von R =800 AW ⁻¹ und die maximale Verstärkung von G =22400 wurden bei V_{G . erhalten} =- 4 V. Dieser Maximalwert der Photoempfindlichkeit war fünf Größenordnungen höher als der von reinen Graphen-Photodetektoren (~ 10 mAW ⁻¹ ) [37]. Darüber hinaus waren sowohl Verstärkung als auch Lichtempfindlichkeit nicht gesättigt, daher konnte eine höhere Lichtempfindlichkeit durch Anlegen einer größeren Back-Gate-Spannung erreicht werden. Neben der Ladungsträgerkonzentration war ein weiterer Faktor, der den Kanalstrom maßgeblich beeinflusste, der Kontaktwiderstand (R _C ) zwischen den Au-Elektroden und den GNRs, was untrennbar mit der Höhe der Schottky-Barriere an der Grenzfläche zusammenhängt [34]. Da die GNRs als p-Kanal-Kanal dienten, wurde beim Anlegen eines negativen V _G , wurde die Höhe der Schottky-Barriere aufgrund des niedrigeren Fermi-Niveaus reduziert. Im Gegensatz dazu, wenn das V _G auf einen positiven Wert erhöht, die Höhe der Schottky-Barriere erhöht und der Strom im Kanal stark unterdrückt.

Schließlich wenden wir uns der Zeitabhängigkeitsuntersuchung des Photostroms unter einfallendem Licht von Leistung zu. Abbildung 5a zeigt zeitabhängige Photostrommessungen unter den unterschiedlichen Leistungen des einfallenden Lichts. Dieser Photostrom war groß genug für eine direkte Messung ohne Stromvorverstärker oder Lock-in-Verstärker, selbst bei einer optischen Leistung im mW-Bereich. Abbildung 5b zeigt den Photostrom als Funktion der einfallenden optischen Leistung. Der Photostrom hatte eine nichtlineare Beziehung zur einfallenden Leistung (I _ph =P ^α , α =0,85). Bei geringerer Lichtleistung war der Beitrag des Photogate-Stroms dominant, und der photoleitende Effekt konnte aufgrund einer Abnahme der Zahl der photogenerierten Ladungsträger vernachlässigt werden [23]. Bei stärkerer Beleuchtung wurde dagegen ein zunehmender Strom beobachtet, der auf die erhöhte Anzahl photogenerierter Elektronen (photoleitender Effekt) zurückgeführt werden konnte. Darüber hinaus reagierte das Gerät auf das einfallende Licht und der resultierende Photostrom war eng mit der einfallenden Lichtenergie verbunden, was das enorme Potenzial für optische Leistungsmonitore offenbarte. Ein Vergleich der optoelektronischen Parameter in verschiedenen Photodetektoren ist in Tabelle 1 angegeben.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir einen Hochleistungs-Graphen-Nanoband-Photodetektor demonstriert, der in einem weiten Bereich durch das externe elektrische Feld bei Raumtemperatur moduliert wird. Ohne das externe elektrische Feld könnte die Leistung des Geräts durch das lokalisierte Feld am Si/SiO₂ . verbessert werden Schnittstelle. Das Gerät wies eine hohe Lichtempfindlichkeit von 800 AW ⁻¹ . auf bei V _G =− 4 V, was zwei Größenordnungen höher war als in der vorherigen Untersuchung. Darüber hinaus ist die Struktur unseres Geräts im Vergleich zum vorherigen optoelektronischen Gerät auf Graphenbasis mit den potenziellen breiten Anwendungen viel einfacher. Die Leistung des Graphen-Nanoband-Geräts kann durch h-BN-Verkapselung, Oberflächenplasmonen, ferroelektrische Felder und Hybridstrukturen weiter verbessert werden. Der vorgeschlagene Graphen-Nanoband-Photodetektor eröffnet aufregende Möglichkeiten für ultraschnelle und hohe Empfindlichkeit für zukünftige graphenbasierte Sicherheitsüberwachung, Photokommunikation und Luftfahrtanwendungen.