英國曼徹斯特大學研究出光子——質子效應的石墨烯光電器件，能使光電探測器相應速度比硅高10萬倍

最新 02-03

兩年前英國曼徹斯特大學的研究成果證明，石墨烯薄膜可以作為清理核電廠核廢料的過濾器。儘管目前還不清楚石墨烯膜的這種特殊應用在核廢料清理方面有什麼進展，但他們在接下來的兩年中發現了一個關於這些石墨烯膜的有趣現象：質子可以通過石墨烯傳輸。

在此基礎之上，曼徹斯特大學的Andre Geim的團隊開始研究是否可以通過添加其它光敏材料（如二氧化鈦（TiO2））來增強石墨烯的質子傳輸能力。事實證明，石墨烯效果非常好。

器件工作原理

在「自然納米技術」雜誌上發表的研究中，曼徹斯特大學的Marcelo Lozada-Hidalgo及其團隊成員發布了一項研究成果，摻雜鉑（Pt）納米顆粒裝飾的單層石墨烯製成的器件。實質是光子激發納米顆粒周圍的石墨烯中的電子。結果，電子對質子反應強力，這又導致電子與質子重新結合，在Pt納米顆粒上形成氫分子。

從某種意義上講，這種機制與半導體光電探測器中的電子-空穴複合不太相似。這些石墨烯器件是基於質子傳輸的，而現在的所有光電探測器都是基於電子傳輸的。

Lozada-Hidalgo說：「因為我們的器件利用質子而不是電子，可能會導致新的光電探測器架構，甚至可能還有其它功能」。

器件性能

按照Lozada-Hidalgo的說法，這項工作最引人注目的特徵之一就是這些器件不僅能匹配大多數商用光電探測器，而且在某些關鍵性能指標上已經大大超過了它們的性能。

通常用三個參數來評估光電探測器：光響應性、雜訊等效功率（考慮到黑暗中的有限電雜訊，可測量最小輻射功率）和響應時間。

Lozada-Hidalgo說：「我們器件的光響應度比大多數商用硅光電二極體高10萬倍。

儘管Lozada-Hidalgo認為響應時間目前受測量設置的限制，但它仍然可以與非專用硅光電二極體相媲美。第三個參數雜訊等效功率與商用硅光電探測器相當或更高。這種比較表明，質子為基礎的器件可能適合於某些應用。」

研究人員還發現，入射到膜上的每個光子都會誘導10,000個質子的傳輸。而大多數基於電子傳輸的光電探測器，比如硅，只能為每一個光子事件產生一個電子。

根據Lozada-Hidalgo的說法，這些器件還有改進的空間，一個有效途徑是添加其他光敏材料，如量子點，可進一步增強器件的光響應。

應用前景

光電探測器看起來是該技術最有前途的應用，但它們也可用於人造光合作用，也稱為光電化學還原。在傳統的人工光合作用中。

光子-質子效應將與半導體方法大不相同。該器件不僅能檢測光線，而且還能在此過程中產生氫氣。