石墨烯，又一篇Science！

▲第一作者：Stefan M. Koepfli
通讯作者：Stefan M. Koepfli，Juerg Leuthold
通讯单位： 瑞士苏黎世联邦理工学院
DOI：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8017

研究背景

石墨烯已经实现了它最初预测的许多性质，并正在向市场推进。然而，基于石墨烯的高性能电子和光子学仍在发展中。与调制器、混频器和光电探测器(PD)有关的的光电子器件已经被报道。特别是，利用石墨烯的高载流子迁移率、可调的电学性质和易集成等优点的基于石墨烯的PD已经被展示，如利用光增益效应或带宽超过100 GHz的高响应性。虽然石墨烯从紫外线到远红外的吸收几乎都是均匀的，但主要的挑战在于克服其相对较低的约2.3%的吸收。因此，大多数最快和最高性能的探测器都是在光子集成电路(PIC)平台上展示的，例如硅或氮化硅。电场与石墨烯的平行传播提供了更长的相互作用长度，导致更高的吸收。通过使用等离子体增强，研究人员已经开发了更短和更灵敏的探测器。尽管石墨烯在PIC上的使用已经显示出多种功能应用，但PIC的集成也是有代价的。PIC集成限制了可访问的波长范围，无论是由于波导材料(硅和其他)透明度的限制，还是集成光学电路元件(光栅耦合器、分路器等)带宽的限制。尽管石墨烯已经达到了它最初预测的许多光电、热和机械性能，但具有大光谱带宽和极高频率响应的光电探测器依然十分有潜力。

研究问题

本研究展示了一种具有>500吉赫兹和平坦频率响应，基于石墨烯的光电探测器，它在环境条件下工作在200纳米宽的光谱带上，中心波长从<1400到>4200纳米可调。本研究的探测器将石墨烯与超材料完美吸收体相结合，通过单模光纤直接照明，打破了集成光子平台上传统的光电探测器小型化的局面。这种设计允许更高的光功率，同时仍允许创纪录的高带宽和数据速率。结果表明，石墨烯光电探测器在速度、带宽和大光谱范围内的操作方面都优于传统技术。

▲图1|研究人员对叉指石墨烯超材料PD的看法

要点：1.石墨烯PD由改进的超材料完美吸收体组成(图1A和B)。它包括金反射器背板、氧化铝隔离层、化学气相沉积(CVD)生长的石墨烯单分子膜、金偶极天线和氧化铝钝化层。偶极子谐振器通过交指电接触线连接。这种结构结合了通过超材料完美吸收器组、石墨烯-金属接触处的内置驱动磁场、静电门控能力以及用于稳定环境操作的钝化来增强吸收。谐振器与适当间隔的底板相结合允许该结构达到近乎完美的吸收。与普通的PIC方法相比，这种层堆叠是在带有二氧化硅的普通、廉价的硅衬底上进行处理的。

▲图2|制备的器件和模拟的光学和电子行为

要点：1.本研究制备的结构的扫描电子显微镜以不同的放大倍数显示在图2 A到D。总的有源器件面积为10μm×10μm，由10个单位单元乘以10个单位单元组成。为了更好地了解工作原理，本研究观察了这些1-μm×1-μm单元中的四个，如图2D所示。

2.在模拟的1550 nm平面波照射下的电场分布中(图2E)，亮点表现出偶极天线的行为。谐振器通过金属接触线(图2C)连接，这不会扰乱场模式。图2E的底部面板显示了标记的(黑色虚线)中心线上的横截面，显示了靠近谐振器的高场。根据场模拟结果，利用Poynting定理(图2F)计算得到的空间吸收分布。结果表明，吸收在图示添加的互连谐振器附近强烈局部化，在图2F的横断面图中可以清楚地看到。

3.为了能够有效地提取产生的局部光激发载流子，本研究利用了谐振器上的交替接触金属(图1B)。每隔一条线，在较厚的金层下面增加一层薄的银接触层。剩下的线条是纯黄金制成的，这样就实现了n型和p型接触掺杂。模拟的电势漂移如图2G中的轮廓所示，它显示了强掺杂在触点下方和附近。

4.此外，本研究通过提取势图的梯度来计算感应场，如图2G(红色实线，右轴)所示。感应场允许无偏压地提取光生载流子。总体而言，曲线图显示吸收最强的位置(图2F)和驱动场最大的位置(图2G)有非常好的重叠。因此，该设计保证了较短的提取路径和高效快速的载流子提取。

▲图3|电信波长的设备性能

要点：1.图3A中提供了该设备的光学显微镜图像(俯视图)；底板显示了与电探头接触的设备的侧视图以及与单模光纤的直接光学耦合。超材料石墨烯PD的光谱行为如图3B所示。本研究测量了归一化光响应作为波长的函数，验证了超材料的共振增强。记录的1580 nm处的峰值和200 nm的半最大全宽窗口横跨S、C、L和U通信频带，可以简单地通过改变谐振器的长度来调节中心频率。

2.在1550 nm光照下，光输入功率从<1μW扫频到接近100 mW。图3C显示了响应在这五个数量级上的线性行为。本研究未观察到饱和效应。本研究还计算了R_ext=0.75 mA/W的外部响应度。内部响应率对应于1550 nm处的R_int=1.57 mA/W，这是通过使用提供更匹配的照明点大小的透镜光纤来发现的。内部响应如图3C中的蓝色虚线所示。散粒噪声受限探测器的信噪比(SNR)线性地依赖于光电流，其表达式为I_ph=RP_in。这表明，通过高响应度R或高饱和功率引脚可以获得良好的检测。

3.为了测试设备的带宽，本研究使用了激光冲击方案。图3D所示器件的测量归一化射频(RF)功率在测量的设置范围内显示了从2 GHz到500 GHz的响应。信号不会下降到−3分贝以下，也看不到明显的滚降行为。这与大多数其他高频工作的设备技术相反，该设备仍然能够在完全无源光伏模式下运行，并且没有发生偏置。

▲图4|光谱可调谐性和多共振体系结构

要点：1.通过利用石墨烯的零带隙和线性色散实现几乎与光谱无关的吸收，可以轻松改变超材料以增强不同波长的吸收。此外，制备具有垂直取向的附加谐振器的设计可以实现与偏振无关的吸收。通过简单地改变偶极谐振器的长度，可以调整共振和吸收。图 4B 显示了 30 种不同谐振器长度的测量吸收光谱。图 4C 显示了具有偏振不敏感超材料的相应谐振器的扫描电子显微照片的四个示例。相应的模拟结果如图 4A 所示。

2.图 4 A 和 B 中提供的实验和模拟光谱吸收都显示出大于 3000 nm 的光谱可调谐性。实验曲线表明，与模拟相比，中红外范围的峰形变宽了。本研究将此归因于直接生长在石墨烯上的氧化铝钝化层的非理想材料特性。本研究设计的非钝化器件的模拟和测量光谱之间的比较支持了这一假设，最终实现了两者近乎完美的匹配。

要点：本研究展示的2到>500 GHz电光带宽PD可与传统的PIN PD技术和单行载波光电二极管相媲美。垂直入射超材料石墨烯PD在单个设备中提供了石墨烯的许多预测优势。从概念上讲，该探测器的性能是利用了超材料吸收增强、石墨烯-金属接触掺杂的内置场、静电门控的良好控制点以及CVD生长的石墨烯的有效钝化等优点。该探测器依赖于金属-绝缘体-石墨烯-金属-绝缘体的相对简单的层叠，这可能使几乎任何衬底上都能进行后处理，并支持与现有结构的密集、单片集成，类似于等离子体调制器的演示。与大多数以前的石墨烯探测器工作不同，本研究展示了在互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的低电压范围内的非制冷、空气稳定的栅极电压操作，这是由于直接顶部生长的钝化与超材料底部绝缘体设计相结合所取得的成就。