超高分辨納米傳感在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、人體健康監(jiān)測(cè)與智慧城市構(gòu)建中起到不可或缺的關(guān)鍵性作用。含有富邊界態(tài)納米結(jié)構(gòu)的新材料由于電子態(tài)的獨(dú)特性質(zhì)及與外場(chǎng)相互作用下的電子傳輸靈敏特征是實(shí)現(xiàn)超高分辨納米傳感的核心要素。近年來(lái)，深圳大學(xué)機(jī)電學(xué)院刁東風(fēng)院士（日本工程院）團(tuán)隊(duì)一直在探究富石墨烯邊緣納米結(jié)構(gòu)薄膜的納米傳感原理，先后發(fā)現(xiàn)納米電子自旋磁性傳感、納米電子遂穿壓阻傳感、納米邊緣電子固-液傳輸生物傳感、固-固界面摩擦電子傳感等新原理與新技術(shù)。

近日，深圳大學(xué)刁院士團(tuán)隊(duì)-張希副研究員在石墨烯邊緣電子泵助力超高響應(yīng)的新型碳膜光電傳感器研究方面取得新的進(jìn)展。光電傳感器作為工業(yè)機(jī)器的神經(jīng)元部件，在高速非接觸式信息獲集和系統(tǒng)響應(yīng)處理中的地位舉足輕重。光電傳感器的研究伴隨新材料的發(fā)現(xiàn)和制備方法的演進(jìn)而不斷朝高精度、快響應(yīng)、可調(diào)諧方向突破。張希副研究員近日研究的核心技術(shù)是在光電場(chǎng)效應(yīng)管中充當(dāng)電子泵，實(shí)現(xiàn)了三極管在近紅外區(qū)域的超高光電響應(yīng)。 此研究有助于為面向可穿戴的光電傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供新的途徑。

該研究成果在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Carbon》上以"High-response heterojunction photo transistor based on vertically grown graphene nanosheets film."為題發(fā)表，深圳大學(xué)張希副研究員為文章第一作者，刁東風(fēng)院士為通訊作者，深圳大學(xué)為唯一完成單位。

圖1.石墨烯邊緣電子泵助力超高響應(yīng)的新型碳膜光電傳感原理圖

如圖1所示，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)電子回旋共振(ECR)納米表面加工系統(tǒng)，利用定向的低能電子照射誘導(dǎo)石墨烯納米片生長(zhǎng)，形成獨(dú)居特色的站立式石墨烯納米片嵌入式碳膜(GNEC)結(jié)構(gòu)。該薄膜具備了大量的站立式生長(zhǎng)的石墨烯納米片。由于這種特殊結(jié)構(gòu)，使得納米薄膜中具有高密度石墨烯邊緣。利用高密度石墨烯邊緣費(fèi)米能級(jí)附近處的空能級(jí)，循環(huán)俘獲和釋放光電子，充當(dāng)邊緣電子泵，大大地提升了光電子的重復(fù)利用率。在電子-空穴分離的瞬間，石墨烯邊緣能快速俘獲光生電子并且將電子泵入外循環(huán)電路，此方法能大幅提升場(chǎng)效應(yīng)管的光電響應(yīng)。

圖2.不同波長(zhǎng)下的光譜響應(yīng)曲線

圖2展示該器件的光電I/V特性曲線以及在不同波長(zhǎng)激發(fā)光下的光譜響應(yīng)圖。場(chǎng)效應(yīng)管的傳導(dǎo)通道是p-n結(jié)，引入p-n結(jié)由此改善異質(zhì)結(jié)相互作用并誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的載流子。該器件的優(yōu)異性能主要?dú)w功于石墨烯邊緣電子泵的構(gòu)建，石墨烯邊緣電子泵將載流子對(duì)分離的電子驅(qū)動(dòng)到外部電路中，并且在電子-空穴復(fù)合之前使電子在外電路中循環(huán)。該器件在近紅外區(qū)域達(dá)到了超高的光電響應(yīng)率(1.298×104 A/W)。

在較早前的工作中，張希副研究員開(kāi)發(fā)了兩代新型碳膜光電傳感器，魚骨型（響應(yīng)率0.4A/W, PSS-RRL, 2019, 1800511）和范德華二極管型（響應(yīng)率61A/W， Adv. Mater. Interface, 2019, 1802062）。此次發(fā)表的為第三代傳感器，響應(yīng)率有了大幅的提高（~102倍的提升）�；�于新型碳膜光電傳感器，申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利7項(xiàng)，已授權(quán)5項(xiàng)。開(kāi)發(fā)了基于新型碳膜的可穿戴光電脈搏儀、血氧儀、心血管健康檢測(cè)儀、光清潔口罩(Xi Zhang, Nano Research, 2020, 10.1007/s12274-020-3158-1 )等產(chǎn)品。

此項(xiàng)工作中，深圳大學(xué)張希老師為第一作者、碩士生田璐璐為第一學(xué)生作者，刁東風(fēng)院士為通訊作者。該項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委青年項(xiàng)目、深圳市海外高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃的資助，以及深圳大學(xué)“荔園優(yōu)青”資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.10.054