石墨烯“近视眼”治好了！氮掺杂让它变身近红外“千里眼”

石墨烯虽然拥有超宽光谱响应和原子级厚度，但天生的“零带隙”让它在光电探测领域举步维艰：光生电子和空穴刚被激发就迅速复合，难以形成有效电流；低态密度和泡利阻塞效应更让它在1064 nm近红外波段几乎“视而不见”；再加上传统石墨烯探测器必须外加偏压才能工作，功耗居高不下，无法用于无源、低功耗传感节点。浙江大学徐杨教授研究团队针对这三大痛点，提出了一种巧妙的解决方案——氮等离子体掺杂。他们采用CMOS兼容工艺，在4英寸晶圆上制备了p⁺-石墨烯/氮掺杂石墨烯/n-Si三层异质结结构。通过精确控制等离子体功率，在石墨烯中引入高比例的吡咯氮活性位点，成功打开了窄带隙、增强了内建电场、引入了缺陷态吸收通道，最终实现了零偏压自驱动的近红外光电探测。器件在1064 nm波长下响应度达0.134 A/W，零偏响应时间仅3883 ns/893 ns，并成功解码了二进制光脉冲信号，为低功耗光通信和物联网节点提供了新方案。

石墨烯的“三座大山”与氮掺杂“手术刀”

传统石墨烯/硅异质结光电探测器面临三大核心痛点：零带隙导致光生载流子直接复合，转换效率极低，好比一个没有闸门的河道，水流一来就散掉了；低响应——1064 nm波段受泡利阻塞影响，光子吸收效率低下，如同戴了墨镜看近红外光；需偏压——没有外部电压就无法分离载流子，功耗居高不下。

面对这三座大山，研究团队没有走传统路线（堆叠量子点或复杂异质结），而是用氮等离子体对石墨烯进行可控掺杂。这就像给石墨烯做了一场精准的“分子级整容手术”。

团队采用CMOS兼容工艺，在4英寸晶圆上制备了p⁺-石墨烯/氮掺杂石墨烯/n-Si三层异质结结构。第一层重掺杂石墨烯形成p⁺区，第二层通过氮等离子体处理引入吡咯氮和吡啶氮活性位点，第三层是n型硅衬底。这个“三明治”结构巧妙地利用了氮掺杂打开的窄带隙，抑制了载流子复合，同时优化了肖特基势垒高度，增强了内建电场。

找到“黄金功率”窗口

氮等离子体的功率是关键变量——太弱没效果，太强反而破坏石墨烯晶格。团队像调试精密仪器一样，在25 W到60 W之间探索。

拉曼光谱显示，随着功率升高，D峰强度持续增大，I_D/I_G比值从0.08飙升到2.57，说明缺陷密度不断增加。但关键是，这些缺陷到底是“有用的”还是“有害的”？X射线光电子能谱（XPS）给出了答案。

XPS精细分析显示，在50 W功率下，吡咯氮的比例达到峰值76.63%，这正是最有效的活性掺杂位点。此时器件的响应度也达到顶峰——0.134 A/W，相比未掺杂样品提升了55.7%。而当功率超过50 W后，吡咯氮比例急剧下降，无效缺陷增多，响应度也随之回落。这就像熬汤——火候太小不香，火候太大糊锅，50 W就是那个“黄金温度”。

摆脱“电源线”，跑出纳秒级

这个器件在零偏压（0 V） 下就能稳定工作。

• 零偏光电流：掺杂器件达到~10⁻⁸ A，比未掺杂器件（~10⁻¹¹ A）高出三个数量级。
• 零偏光电压：从0.035 V提升到0.13 V，增强了3.7倍，证明内建电场被显著强化。
• 循环稳定性：在900 nW到21800 nW激光功率范围内，光电流和光电压完美周期切换，无衰减无漂移。

这意味着，探测器可以像太阳能电池一样，不消耗任何外部电能，仅靠光照产生的内建电场就能自发分离载流子，输出信号。

除了零偏工作，速度也是一大亮点。团队搭建了定制测试系统，用1064 nm脉冲激光照射器件。

在200 μs测试窗口内，器件输出的周期性响应波形高度稳定。单个周期的放大视图显示：上升时间3883 ns，下降时间893 ns。这比大多数石墨烯基探测器快了数个数量级，足以满足高速近红外光通信的需求。

三重调控机制

1. 打开带隙：本征石墨烯是零带隙的狄拉克锥，而吡咯氮掺杂后打开了约0.2 eV的窄带隙，就像给敞开的房门装了一道门槛，有效抑制了载流子复合。
2. 增强内建电场：氮掺杂提高了肖特基势垒高度，使石墨烯/硅界面的内建电场从0.035 V跃升至0.13 V，成为零偏下载流子自发分离的“核心引擎”。
3. 引入缺陷态吸收：掺杂引入的缺陷态充当了“子带隙吸收通道”，打破了泡利阻塞效应，让原本无法吸收的1064 nm光子也能被高效捕获。

这三重机制协同作用，让石墨烯从“近视眼”变成了“千里眼”。

两级方案解锁低功耗光通信

为了兼顾低功耗和高灵敏度，团队提出了一种“两步走”策略。

1. 第一步：零偏初始检测。器件在0 V下自主响应，完成对1064 nm光脉冲信号的初步定位和筛选。实验中成功解码了代表字母“Z”“J”“U”的二进制脉冲序列，功耗为零。
2. 第二步：偏置增强采集。施加-5 V反向偏压后，光电流从~10⁻⁹ A跃升到~10⁻⁶ A，提升了三个数量级，信噪比大幅提高，实现高精度解码。

该研究不止于制造一个高性能器件，更通过氮等离子体掺杂提供了一套普适性策略：从原子尺度调控石墨烯的电子结构，解决了零带隙、低响应和无零偏能力的三大难题，打破了光生载流子分离与传输之间的平衡。这既为极地、深空等极端环境提供了低功耗光探测方案，也为下一代二维材料光电器件设计提供了新思路。

原文链接：

Jinfeng Huang, Muhammad Malik, Yuxin Ye, Taocheng Yu, Aymene Zinbi, Guanyu Liu, Jiarui Qiu, Yu Fu, Mengze Zhao, Zhibin Zhang, Jinhao Zhang, Muhammad Abid Anwar, Xuan Ye, Quan Yang, Hanzhi Ma, Wee-liat Ong, Can Liu, Kaihui Liu, Yuda Zhao, Bin Yu, Yang Xu, A nitrogen graphene near-infrared photodetector with zero-bias response, Carbon, 256, 121596 (2026)

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121596

作者简介

徐杨教授、浙江大学求是特聘教授、博导、国家级高层次人才、IEEE NTC 杰出讲座学者（IEEE NTC Distinguished Lecturer）、美国光学学会会士（OSA/Optica Fellow）、英国物理学会会士(FInstP)、英国皇家化学会会士(FRSC)、英国工程技术学会会士（FIET）、浙江大学集成电路学院教授，Professor of ZJU-UIUC Joint Institute, 英国剑桥大学访问学者（Visiting By-Fellow of Churchill College，University of Cambridge), UCLA访问教授，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）电子工程系博士和硕士，清华大学电子工程系微电子学与固体电子学学士。IEEE NTC Zhejiang Subsection Chair,  IEEE EDS Senior Member、IEEE-EDS Optoelectronic Devices Committee。研究方向为硅基集成电路前沿器件与芯片、类脑视算一体化芯片、后摩尔感知芯片。 入选Elsevier2024和2025“中国高被引学者”，入选Clarivate2025年度全球“高被引科学家”名单。