综述 | 三维石墨烯的合成及其在光电探测器中的联合光电调节研究进展

石墨烯由于其特殊的光学、电学、机械和热性能，在光探测领域引起了极大的关注。然而，二维（2D）石墨烯在光电领域的实际应用受到其弱光吸收（仅2.3%）和零带隙特性的限制。提高光吸收是开发高性能石墨烯光电探测器的关键科学挑战。三维（3D）石墨烯由垂直生长的堆叠二维石墨烯层组成，具有独特的多孔结构。与二维石墨烯不同，三维石墨烯具有更大的比表面积，改进的电化学活性和高化学稳定性，使其成为光电检测的有前途的材料。重要的是，三维石墨烯具有光学微腔结构，通过与入射光相互作用增强光吸收。本文系统回顾和分析了三维石墨烯光电探测器的研究现状和面临的挑战，旨在探索三维石墨烯光电探测器的可行发展路径，促进其产业化应用。

近日，宁波大学王刚教授课题组和中国科学院上海微系统所郑理研究员从光电子学、电动力学、力学和热力学等领域对三维石墨烯的物理性质进行了广泛的研究，全面概述了三维石墨烯的生长机制和方法。重点介绍了基于三维石墨烯的光电探测器的进展，根据其结构和工作机理将器件分为光伏光电探测器、波导光电探测器和热电光电探测器。通过代表性案例研究，深入探讨了各种器件类型的光电转换机理，列举了已报道的基于三维石墨烯的光电探测器的结构和性能参数，并分析了性能增强和优化的方向。

为了解三维石墨烯的生长机制、探索其光电特性、跟踪三维石墨烯光电探测器研究的最新进展和趋势、探讨三维石墨烯材料在光电探测领域的机会和潜力提供了系统的参考。

图2.（a） 正常和法拉第笼辅助PECVD生长途径的原理图和机制；（b）在SiO₂/Si衬底上生长VGNPs的机理示意图；数字（I-VI）表示（c-h）对应的不同步骤；（c） SiO₂/Si衬底的扫描电子显微镜图像（参见原理图中的I）；（d）衬底上碳缓冲层的生长（参见原理图II）；（e）缺陷的形成（见原理图III）；（f）缺陷形成纳米岛（见原理图IV）；（g）纳米岛生长纳米石墨烯（见示意图中的V）；（h） VGNPs垂直生长情况（见示意图VI）。

该文章以题为“Review on three-dimensional graphene: synthesis and joint photoelectric regulation in photodetectors”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Review on three-dimensional graphene: synthesis and joint photoelectric regulation in photodetectors

Bingkun Wang, Jinqiu Zhang, Huijuan Wu, Fanghao Zhu, Shanshui Lian, Genqiang Cao, Hui Ma, Xurui Hu, Li Zheng, and Gang Wang

J. Semicond. 2025, 46(7), 071401. doi: 10.1088/1674-4926/25010015

作者简介

第一作者 王冰坤，宁波大学研究生。

2022年毕业于广西师范大学，获学士学位。现为宁波大学研究生，师从王刚教授。她的研究重点是维度可控与物性各异的石墨烯制备及其应用。

通讯作者 王刚，宁波大学教授、博士生导师、宁波市青年科技创新领军人才、宁波市拔尖人才。

专注于碳基异构集成与高性能光电探测器及其应用的系统性研究，聚焦异质结构界面控制、光吸收增强原理及载流子输运机制等关键科学问题，基于“多维石墨烯异构集成-光电联合调控-界面演化机制解析”建立了全链条的研究路线。以第一或通讯作者（含共同）在Nat. Electron.，Nat. Commun.，Adv. Mater.，Adv. Energy Maters.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano，Nano Lett.，Small，Adv. Opt. Mater.，IEEE Electron. Device L.和IEEE T. Electron Dev.等高水平期刊发表论文90余篇，论文总引用6600余次。

通讯作者 郑理，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员、博士生导师、硅基材料与集成器件实验室副主任、中青科协“人工智能与电子信息”专委会副秘书长。

长期从事硅基半导体与器件集成的研究工作，入选国家高层次青年人才计划、东方英才、上海市科技青年35人引领计划等；获评中国青年五四奖章、全国青年岗位能手、全国青年职业技能大赛（研发创新类）金奖、中国科学院院长特别奖、中国科学院优博等；作为主要完成人之一荣获上海市科技进步特等奖，中国科学院科技促进发展奖等；发表 SCI 收录论文100余篇，授权专利40余件；作为项目负责人主持国家自然科学基金等项目16项。