研究背景
红外光电探测广泛用于光通信、夜视与环境监测，但传统探测器多需低温制冷，成本与功耗居高不下。光伏型自供电探测器可零偏压工作、暗电流低，但零偏响应度常仅为mA/W量级。石墨烯纳米带兼具高载流子迁移率与可调带隙，为兼顾自供电、高响应与高温工作提供了新材料。
成果简介
山东大学李虎教授、范继辉工程师、高明与电子科技大学Mingyang Wang团队将半导体性石墨烯纳米带薄膜湿法转移至n型锗衬底，构筑了石墨烯纳米带/锗（GNRs/Ge）垂直异质结短波红外光电探测器。拉曼谱D、G、2D峰位于1328、1589、2635 cm⁻¹，IG/ID约10.15；光致发光峰位于686 nm，光学带隙1.79 eV，证实纳米带的半导体特性。
1550 nm照射下，异质结内建电场分离光生载流子、界面光栅控提供增益，器件零偏响应度达10.21 A/W（0.95 mW/cm²）、比探测率2.36×10¹¹ Jones、外量子效率817%，上升/衰减时间240/434 μs；−3 V反偏下响应度升至167.3 A/W、比探测率1.45×10¹⁰ Jones。光电流幂指数θ由0 V的0.44升至−3 V的0.83，显示反偏抑制光栅控、响应趋于线性；15天内光电流无明显衰减。
纯Ge探测器在65 °C以上光电流即被噪声淹没，该器件在95 °C仍有光响应（−3 V时3 A/W、零偏0.1 A/W），并实现210×220像素自供电成像，25～90 °C保持清晰。
图注说明
图1 GNRs/Ge光电探测器的结构与表征。(A)器件结构与实物照片；(B)截面TEM与界面高分辨像；(C)拉曼谱，D、G、2D峰位于1328、1589、2635 cm⁻¹；(D)光致发光峰686 nm；(E)(F)碳纳米管与GNR的吸收谱与红外谱，带隙1.79 eV。
图2 自供电模式下的探测性能。(A)(B)暗态与1550 nm照射下电流–电压曲线，呈整流特性；(F)上升/衰减时间240/434 μs；(H)比探测率2.36×10¹¹ Jones、外量子效率817%。
图3 偏压调控性能与文献对比。(A)幂指数θ由0 V的0.44升至−3 V的0.83；(C)(D)响应度与外量子效率随反偏提升，−3 V达167.3 A/W；(G)与已报道器件对比，响应度居前列。
图4 温度特性与工作机理。(A)(B)25～95 °C特性，纯Ge器件65 °C以上失效，异质结器件95 °C仍响应；(C)95 °C、−3 V响应度仍有3 A/W；(D)～(F)接触前、零偏与反偏能带图。
图5 自供电红外成像。(A)扫描成像系统；(B)室温下210×220像素的熊猫图案成像；(C)25、45、90 °C下字母成像保持可辨。
总结展望
该工作以石墨烯纳米带/锗垂直异质结将自供电短波红外响应度提升至10.21 A/W量级、工作温度推进至95 °C，为苛刻环境红外探测与成像提供了异质结设计策略。
文献信息
https://doi.org/10.1021/acsami.6c15268
High-Performance Self-Powered Infrared Photodetector via Semiconducting Graphene Nanoribbon/Germanium Vertical Heterojunctions with Robust Thermal Stability
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