最近发表在《Materials》杂志上的一篇论文回顾了基于石墨烯的柔性光电探测器（PD）的最新发展。
研究：石墨烯柔性光电探测器的最新进展。 图片来源：Visual Generation/Shutterstock.com
背景
PD是常见光电子器件之一，广泛用于多种应用。传统PD中通常使用的功能材料具有高刚性，这显着影响PD在弯曲或拉伸时的性能。
因此，具有可折叠和可弯曲功能的新型柔性PD的开发受到了相当大的关注，特别是用于制造植入式可穿戴光电子器件。
作为透明导电薄膜，沉积在不同刚性和柔性基板上的石墨烯具有出色的光学和电气性能，在PD中显示出显着的潜力。近年来，进行了几项研究以增强石墨烯基PD的性能，其中许多研究侧重于提高石墨烯导电薄膜的性能，因为这些薄膜对器件的整体性能产生了至关重要的影响。
在这项研究中，研究人员回顾了用于光探测的石墨烯基导电薄膜，全石墨烯柔性PD和高性能石墨烯混合PD的最新发展，并讨论了PD在柔性可穿戴电子产品中的未来应用。
各种2D材料的带隙值及其相应的检测范围。二维材料石墨烯的检测范围和性能。图片来源：He， L et al.， Materials
透明导电石墨烯薄膜
用于光电检测的石墨烯基透明导电薄膜必须高效且均匀，而不会在基板上结块。化学气相沉积（CVD）可用作制造大面积石墨烯薄膜的有效技术。
最近，开发了一种新的CVD技术，用于合成大面积石墨烯薄膜。该方法与需要温度高于1000℃用于石墨烯的完全制备的传统CVD工艺不同。
高温会导致大量非晶态碳污染物沉积在石墨烯表面，导致石墨烯薄膜的“固有污染”，从而显著影响石墨烯的性能。
在这种新的CVD方法中，聚碳酸酯和蓝宝石用作衬底，而熔融镓用作催化剂。使用这种方法可以消除传统石墨烯制备方法的高温要求，该方法需要50℃温度制得石墨烯。
透明导电石墨烯薄膜的转移
将制备的高质量石墨烯转移到适合PD的目标基板上，对于实现石墨烯薄膜的大规模生产至关重要。然而，在转移过程中，一些杂质沉积在石墨烯薄膜表面上，导致表面污染，对PD性能产生不利影响。此外，在转移过程中，转移效率会降低，因为石墨烯容易形成缺陷，褶皱或褶皱。
在间接转移方法中，在石墨烯从生长基板转移到目标基底的过程中，使用载体材料作为支撑层，然后通过化学或物理方法除去材料。
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）通常用作载体。通过使用间接转移方法，可以通过仔细选择载体和持续优化转移过程来获得高质量的石墨烯。
在直接转移过程中，石墨烯通过从生长基板上剥离薄膜直接附着在目标基板上，而无需任何载体材料。与间接转移相比，直接转移方法中的石墨烯薄膜损坏率显着降低，因为在脱胶过程中石墨烯中不会引入裂纹。
然而，在直接转移过程中，粘合层间会对石墨烯的性能产生不利影响，这可以通过在不使用聚合物的情况下直接将石墨烯转移到目标基材上来防止。
全石墨烯柔性PD
第一个全石墨烯PD是使用石墨烯作为光吸收层制备的。随后，采用无金属低温等离子体增强CVD方法制备了在可见光范围内具有高检测率和响应率的全石墨烯PD。
然而，石墨烯具有有限的外部量子效率（EQE）和光吸收能力，因为它缺乏带隙并且由于其非常低的光吸收系数而吸收整个电磁波谱。
异质结构复合、谐振腔增强和等离子体增强可用于提高石墨烯局部放电性能。使用金属掺杂石墨烯制造的集成波导PD表现出宽频谱带宽，高速和高响应性。该设备在1450至1590 nm的照明下响应均匀。这种基于异质复合或掺杂的石墨烯杂化PD显示出明显提高的比检测性和光响应性。
石墨烯杂化PD
卤化物钙钛矿型石墨烯异质结构PDs
钙钛矿材料具有优异的光吸收特性。例如，卤化铯铅（CsPbX3）钙钛矿纳米晶光致发光的特点是辐射寿命为1-29 ns，量子产率为90%，色域广泛，覆盖了高达140%的国家电视标准委员会（NTSC）颜色标准，发射线宽度窄。
卤化物型钙钛矿材料由于其优异的光学性能，在光电器件中作为高效吸光材料进行了专门研究。在一项研究中， 制备并评价了一种柔性钙钛矿/石墨烯杂化通道场效应光电晶体管结构.制造的光电晶体管在可见光谱上显示出高灵敏度和窄的光响应。
全碳PD
半导体 C60，一种低维碳材料，从紫外线（UV）到近红外（IR）区域显示出相当大的吸收。中等带隙 C60防止低噪声的光电检测，并允许抑制由于缺乏带隙而在石墨烯中观察到的暗电流。
这种碳材料具有出色的机械和光电性能，可用于低成本柔性光电器件的多种应用。因此，石墨烯和C的组合60可以克服全石墨烯PD的缺点，同时具有独特的半导体特性C60可以提高全碳柔性PD的性能。
单壁碳纳米管（SWCNTs）也可用于制造高性能全碳PD，因为它们具有高迁移率和10的开/关比5.例如，基于SWCNT-石墨烯异质结构的薄膜晶体管可以在20%的应变下工作，同时表现出非常高的透明度和高机械强度。
石墨烯/过渡金属卤化物异质结构基PD
原子薄的垂直异质结构由于其透明度和灵活性，在光电应用中显示出相当大的潜力。二维（2D）过渡金属二硫化物（TMD），特别是具有弱面外粘合，强面内粘合，出色的光电性能和机械柔韧性的分层材料，通常用于制造这些异质结构。
这些具有窄带隙和高载流子迁移率的层状材料表现出强大的光物质相互作用。因此，这些具有广泛光学性质和石墨烯的2D材料晶体的堆叠可以促进高性能光电器件的合成。
在TMD中，对二硫化钼和二硫化钨在光电器件中的应用进行了广泛的研究，以制备石墨烯/过渡金属卤化物异质结构基PD，因为它们具有高化学稳定性，并且在电磁波谱的可见光区域具有能隙。
PD在柔性可穿戴电子产品中的应用
柔性PD可以放置在皮肤表面，形成可穿戴贴片以监测人体健康。同样，通过模仿人眼的结构特征，利用解剖学上薄薄的二硫化钼-石墨烯异质结构，将二硫化钼-石墨烯异质结构软植入人眼视网膜，研制出一种由超薄神经接口电极（UNE）和弯曲图像传感器（CurvIS）阵列组成的光电器件。
与类似厚度的硅光电二极管相比，异质结构器件的响应性要高得多，这表明其在生物医学应用中具有巨大的应用潜力。同样，最近制造了一种新型的可穿戴纸基PD，可以同时测量紫外线的剂量和强度。此外，即使在1000次弯曲后，光电信号仍保持稳定。
结论与未来展望
石墨烯柔性PD在物联网和可穿戴设备中具有显着的发展前景，因为石墨烯既可以用作光吸收层，也可以用作透明导电层。
此外，石墨烯可以与不同的材料结合使用，以提高所得PD的灵敏度，并将其检测光谱从紫外扩展到中红外波段。石墨烯PD还可用于其他传感元件，如生物传感器或气体传感器，以实现多功能传感。
然而，需要更多的研究来彻底研究异质结中的电荷转移并提高整体PD性能。此外，未来必须解决现有石墨烯薄膜制备方法的成本和复杂性问题。
来源
He, L., Liu, R., Hu, K. et al. Recent Progress on Graphene Flexible Photodetectors. Materials 2022. https://www.mdpi.com/1996-1944/15/14/4820
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