ACS Applied Materials & Interfaces：垂直石墨烯/紫磷/石墨烯光电探测器用于波长编程光信号编码

研究背景

紫磷是新兴的二维范德华半导体，空气稳定性优于黑磷，带隙适中、光吸收强，是光电探测的候选材料。但传统横向沟道紫磷器件中，载流子需在数微米长的沟道中输运，途中复合损耗严重，增益与响应度受限。将沟道缩短至纳米尺度的垂直结构有望大幅缩短载流子渡越时间、提升收集效率。

成果简介

厦门大学王其星副教授、徐龙副教授，上海交通大学杨胜副教授团队将机械剥离的石墨烯与紫磷薄片经PDMS辅助、在转移台上干法逐层堆叠，构筑石墨烯/紫磷/石墨烯垂直范德华异质结光电探测器，紫磷层厚仅45 nm，载流子输运距离由微米级缩短至纳米级。

在532 nm照射下，器件响应度达1.7×10⁴ A/W，比探测率达2.1×10¹³ Jones，外量子效率约3.9×10⁶%，光谱响应覆盖450–1050 nm，上升与衰减时间分别为24.1 ms与34.6 ms。与横向器件相比，垂直器件的响应度、比探测率与外量子效率高出2–3个数量级。

输运标度分析表明，垂直结构中载流子漂移渡越时间缩短至约4.4 ps，而横向结构约54 ns，由此带来约3.9×10⁴的有效光电导增益，定量解释了高响应度的来源。器件瞬态响应随波长而异：450 nm下响应快，800 nm下呈持续型慢响应。团队以800 nm慢响应通道为密钥通道、450 nm快响应通道为信息通道，演示了「XMU」的ASCII二进制加密传输，实现波长编程光信号编码。

图注说明

图1 器件结构与材料表征。(a)石墨烯/紫磷/石墨烯垂直光电探测器结构示意；(b)器件光学显微图，标尺10 μm；(c)紫磷薄片与异质结的光致发光谱，异质结中发光猝灭；(d)拉曼光谱；(e)各层原子力显微高度，紫磷厚45 nm。

图2 垂直器件的光电性能。(a)暗态与532 nm不同光功率下的电流-电压曲线；(b)光电流随光功率的变化；(c)450–1050 nm瞬态光电流；(d)上升/衰减时间为24.1/34.6 ms；(e)(f)响应度、比探测率随光功率变化。

图3 垂直与横向器件性能对比。(a)–(f)两种结构的响应度、比探测率与外量子效率随光功率与波长的变化，垂直器件高出2–3个数量级；(g)光电流开关比随波长变化；(h)与已报道二维光电探测器的性能对比。

图4 输运标度分析。(a)漂移渡越时间随输运长度的变化，垂直结构约4.4 ps、横向约54 ns；(b)有效光电导增益随载流子再循环时间变化；(c)两种几何的载流子收集概率；(d)计算渡越时间与实测响应时间对比。

图5 双通道加密光通信。(a)加密、光传输与解密的系统架构；(b)以800 nm为密钥通道、450 nm为信息通道传输「XMU」的加密规则与实验波形。

总结展望

该工作以垂直堆叠将紫磷光电探测器的输运距离压缩至纳米尺度，兼得高响应度、宽光谱响应与波长可区分的瞬态动力学，并演示双通道加密光通信，为宽带光电探测与安全光信息传输提供了器件方案。

文献链接

https://doi.org/10.1021/acsami.6c12725

Vertical Graphene/Violet-Phosphorus/Graphene Photodetectors for Wavelength-Programmed Optical Signal Encoding