中科院上海微系统所，山东大学，宁波大学Nano Lett.: 柔性三维石墨烯/锗异质结构中的多物理场耦合应变工程用于宽带光电检测

成果介绍

柔性光电探测器（flexible photodetectors）是推动传感、生物医学监测和柔性人机接口（soft human-machine interfaces）发展的核心技术 。与传统的刚性器件相比，柔性探测器能够适应非平面表面，并承受弯曲和拉伸等复杂的机械变形 。然而，在这些变形条件下实现稳定的响应和可控的性能调节，特别是在宽带光电检测（broadband photodetection）领域，仍然是一个挑战 。锗（Germanium, Ge）由于其在可见光到近红外范围内的固有光学吸收特性，是宽带光电检测的理想候选材料 。尽管超薄锗薄膜的剥离技术取得了进展，但在柔性构型下，机械变形如何影响界面能带（interfacial energy bands）、电势分布（potential distribution）及载流子传输（carrier transport）的基础研究仍不够充分，这限制了器件性能的进一步提升和调制的可预测性 。

有鉴于此，中国科学院上海微系统与信息技术研究所薛忠营研究员、山东大学郭庆磊教授以及宁波大学王刚教授课题组设计并制备了一种基于 4 英寸柔性锗薄膜与三维石墨烯（3D-graphene）异质结构的晶圆级柔性光电探测器 。本文提出了一种通过三维集成设计实现光电性能与机械弯曲稳定性同步优化的策略 。研究发现，垂直取向的三维石墨烯架构通过多次散射增强了光捕捉能力，其分级网络结构在机械变形过程中起到了关键的应力分布作用 。通过实验与模拟验证，该成果揭示了多物理场耦合（multiphysical-field coupling）机制，即弯曲产生的应变梯度能够有效调节局部能带结构和内置电场（built-in electric field），从而在变形下维持甚至增强载流子的分离与定向传输 。该器件在 380 到 1850 nm 的波段内表现出稳定的高效响应，并在 10,000 次弯曲循环后仍保持优异性能，成功应用于多光谱成像（multispectral imaging）和人体生理信号监测 。

图文导读

图1：三维石墨烯/锗异质结的制备、形貌表征及内置电场特性。 (a) 4 英寸晶圆级柔性锗薄膜光学照片 。(b)柔性锗薄膜弯曲能力。(c) 三维石墨烯/锗异质结构的截面 SEM 图像 。(d) 三维石墨烯/锗异质结构的三维原子力显微镜（AFM）图像 。(e) 三维石墨烯的孔隙率分布图 。(f) 集成前后三维石墨烯和锗的拉曼光谱；插图为接触角测量结果 。(g) 柔性三维石墨烯/锗异质结在黑暗和光照条件下的表面电势分布图 。(h) 对应的表面电势变化曲线 。(i) 异质结在黑暗和光照下的表面电流分布图 。(j) 对应的表面电流变化曲线。

结论与展望

综上，本文通过将4英寸晶圆级柔性锗薄膜与原位生长的三维互连石墨烯集成，构建了柔性3D-石墨烯/锗异质结构，并实现了兼具优异性能、宽光谱响应和机械形变长期稳定性的柔性光探测器。实验与模拟结果表明，垂直取向的多孔三维石墨烯网络与柔性锗衬底紧密耦合后，可增强光子吸收与电荷载流子输运。制备得到的器件在380–1850 nm范围内表现出稳定光响应，在1850 nm处实现80.2 A W^-1的响应度、1.2 × 10¹¹ Jones的比探测率、2.2 × 10^-21 A² Hz^-1的低噪声电流密度、微秒级响应速度。研究进一步揭示，弯曲诱导应变通过石墨烯三维结构增强界面势分布与电场分布，形成应变诱导内建电场，从而促进光生载流子分离并抑制非辐射复合损失，保证器件在弯曲和加载循环中的稳定光电表现。该器件还成功用于多波长高分辨成像和准确的生理信号采集，证明了该技术用于柔性光电子器件的可行性与可靠性，并对可穿戴光电子学、多光谱成像、柔性生物电子学和先进传感平台具有意义。

文献信息

Multiphysics-Coupled Strain Engineering in Flexible 3D-Graphene/Germanium Heterostructures for Broadband Photodetection.

(Nano Lett., 2026, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6c00834)

文献链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c00834