光电检测器无处不在，可用于日常产品，例如电视遥控器，光盘播放器和数码相机，以及用于光纤通信和天文观测的专用设备。类似地，石墨烯也因其优异的电学，光学以及力学性质，它在一系列原型设备中迅速出现。对于光电探测功能来说，石墨烯材料的高迁移率和零带隙特征，使其有潜力成为制作宽频谱，高速，低成本且便携的感光设备的核心组件。基于石墨烯的光电探测器通常利用的是在金属-石墨烯接触点附近形成肖特基势垒，其中形成的电势差会驱动光电子-空穴对的分离与传输。然而对称的金属-石墨烯-金属器件会产生相等的正负电流，使得净光电流为零。如需打破这种平衡，则要使用具有非对称能带结构的金属，但需引入额外的制造步骤，并且其效果会受到最大势垒差异的限制。近日，来自北京大学的Liu及其三名同事在之前的基础上向前迈进一步，提出一种在石墨烯本身中创建单个p-n结的方法。
图片解说：基于石墨烯的光电探测器。图a,b为分别具有对称(a)和非对称(b)结构的石墨烯-金属肖特基节光电探测器能带图，他们的光电流也相应的为零和非零。石墨烯与功函数可变的金属接触会改变其费米能级，并在石墨烯与金属的接触附近产生电位偏移，从而有利于光载流子的分离和运输。图c为基于石墨烯内置p-n结的感光器能带图，其净光电流为非零值。p–n结附近的电位偏移可以有效地驱动光子的分离和传输，从而产生可测量的光电流。虚线是费米能级的位置，实心蓝红色线是石墨烯中狄拉克点的位置。蓝色和红色的球体分别代表电子和空穴。
在这项研究中，本征（p型）和氮掺杂（n型）石墨烯的相邻区域形成了一个结，该结在器件中心处有电位偏移。在只有一个结的情况下，单向载流子的分离和传输会产生可测量的光电流。这种结构的合成方法是基于他们先前关于“镶嵌石墨烯”的工作：通过在化学气相沉积过程中调节掺杂浓度，石墨烯会形成明显的富氮（掺杂）和贫氮（本征）的区域。使用氮掺杂的方法会改变石墨烯的费米能级，并在石墨烯与基底金属的界面处形成一个独立工作的p–n结。
不到1 nm的厚度，单层石墨烯吸收了所穿过的2.3％的光，这个数字对于单原子层来说是非常高的吸收率，且在宏观表现上它仍然是高度透明的。虽然低吸收率对于透明导体非常有用，但在光电探测器中却会降低器件的光响应属性。金纳米颗粒可以被用作纳米级光学天线，利用其等离子体效应聚光，可增强石墨烯P-N结的光子吸收率，光电流和光敏性。
这种新型的光电探测器可以使要求高光响应性，灵活性和波长选择性的一系列光电器件受益。掺杂的石墨烯p–n结提供了比石墨烯–金属结更实用且自成一体的设备，尽管在任一种质量和成品率都无法与最新的硅基检测器竞争之前，还有很多工作要做。尽管如此，这种带有集成等离激元天线的石墨烯p–n结的合成和制造为光感研究提供了一个新颖的平台，它利用了原子级超薄材料的低光吸收性，为开发新型光伏和光电设备提供了独特的选择。
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