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  • 深圳大学科研团队在高灵敏光电传感原理方面取得新的进展

    作者:佚名 来源:深圳大学 时间:2020-11-17 20:53 阅读:249 [投稿]
    深圳大学刁院士团队-张希副研究员在石墨烯边缘电子泵助力超高响应的新型碳膜光电传感器研究方面取得新的进展。

    超高分辨纳米传感在人工智能、物联网、人体健康监测与智慧城市构建中起到不可或缺的关键性作用。含有富边界态纳米结构的新材料由于电子态的独特性质及与外场相互作用下的电子传输灵敏特征是实现超高分辨纳米传感的核心要素。近年来,深圳大学机电学院刁东风院士(日本工程院)团队一直在探究富石墨烯边缘纳米结构薄膜的纳米传感原理,先后发现纳米电子自旋磁性传感、纳米电子遂穿压阻传感、纳米边缘电子固-液传输生物传感、固-固界面摩擦电子传感等新原理与新技术。

    近日,深圳大学刁院士团队-张希副研究员在石墨烯边缘电子泵助力超高响应的新型碳膜光电传感器研究方面取得新的进展。光电传感器作为工业机器的神经元部件,在高速非接触式信息获集和系统响应处理中的地位举足轻重。光电传感器的研究伴随新材料的发现和制备方法的演进而不断朝高精度、快响应、可调谐方向突破。张希副研究员近日研究的核心技术是在光电场效应管中充当电子泵,实现了三极管在近红外区域的超高光电响应。 此研究有助于为面向可穿戴的光电传感系统的设计提供新的途径。

    该研究成果在国际著名学术期刊《Carbon》上以"High-response heterojunction photo transistor based on vertically grown graphene nanosheets film."为题发表,深圳大学张希副研究员为文章第一作者,刁东风院士为通讯作者,深圳大学为唯一完成单位。


    图1.石墨烯边缘电子泵助力超高响应的新型碳膜光电传感原理图

    如图1所示,该团队通过电子回旋共振(ECR)纳米表面加工系统,利用定向的低能电子照射诱导石墨烯纳米片生长,形成独居特色的站立式石墨烯纳米片嵌入式碳膜(GNEC)结构。该薄膜具备了大量的站立式生长的石墨烯纳米片。由于这种特殊结构,使得纳米薄膜中具有高密度石墨烯边缘。利用高密度石墨烯边缘费米能级附近处的空能级,循环俘获和释放光电子,充当边缘电子泵,大大地提升了光电子的重复利用率。在电子-空穴分离的瞬间,石墨烯边缘能快速俘获光生电子并且将电子泵入外循环电路,此方法能大幅提升场效应管的光电响应。


    图2.不同波长下的光谱响应曲线

    图2展示该器件的光电I/V特性曲线以及在不同波长激发光下的光谱响应图。场效应管的传导通道是p-n结,引入p-n结由此改善异质结相互作用并诱导产生更多的载流子。该器件的优异性能主要归功于石墨烯边缘电子泵的构建,石墨烯边缘电子泵将载流子对分离的电子驱动到外部电路中,并且在电子-空穴复合之前使电子在外电路中循环。该器件在近红外区域达到了超高的光电响应率(1.298×104 A/W)。

    在较早前的工作中,张希副研究员开发了两代新型碳膜光电传感器,鱼骨型(响应率0.4A/W, PSS-RRL, 2019, 1800511)和范德华二极管型(响应率61A/W, Adv. Mater. Interface, 2019, 1802062)。此次发表的为第三代传感器,响应率有了大幅的提高(~102倍的提升)。基于新型碳膜光电传感器,申请了国家发明专利7项,已授权5项。开发了基于新型碳膜的可穿戴光电脉搏仪、血氧仪、心血管健康检测仪、光清洁口罩(Xi Zhang, Nano Research, 2020, 10.1007/s12274-020-3158-1 )等产品。

    此项工作中,深圳大学张希老师为第一作者、硕士生田璐璐为第一学生作者,刁东风院士为通讯作者。该项研究受到国家自然科学基金委青年项目、深圳市海外高层次人才创新创业计划的资助,以及深圳大学“荔园优青”资助。

    论文链接:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.10.054

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