多功能設(shè)備對(duì)于在同一平臺(tái)上進(jìn)行集成和小型化非常重要，但是簡單地功能增加會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過大。在這里，光探測和化學(xué)傳感裝置是基于二維（2D）玻璃態(tài)石墨烯開發(fā)的，滿足兩種功能的類似性能要求。與本征石墨烯相比，扭曲的晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的適當(dāng)帶隙使玻璃態(tài)石墨烯具有相當(dāng)甚至更優(yōu)異的光電探測和化學(xué)傳感性能。由于玻璃態(tài)石墨烯和周圍孔氣之間較強(qiáng)的相互作用，這種器件對(duì)光致脫附的敏感性低于石墨烯器件。因此，幾層玻璃態(tài)石墨烯器件呈現(xiàn)正的光響應(yīng)，在405nm的激光照射下,器件的響應(yīng)率為0.22AW
-1,探測率為~10
10 Jones.此外，玻璃態(tài)石墨烯中的固有缺陷和應(yīng)變可以增強(qiáng)分析物的吸附，從而獲得良好的化學(xué)傳感性能。具體而言, 玻璃態(tài)石墨烯器件探測丙酮的信噪比為48,比石墨烯器件提高50%以上。此外,對(duì)偏壓和厚度有關(guān)的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)感測功能的分析表明, 少層玻璃態(tài)石墨烯更為敏感。這項(xiàng)研究成功地證明了玻璃態(tài)石墨烯在集成光電探測和化學(xué)傳感方面的潛力，為以后的多功能應(yīng)用提供了一個(gè)有希望的解決方案。
圖1.玻璃態(tài)石墨烯的材料表征結(jié)果和器件陣列圖片。在通道邊緣獲得的(a) 0.9-nm, (b) 1.5-nm和(c) 2-nm玻璃態(tài)石墨烯薄膜表面形態(tài)的AFM圖像。比例尺為1µm。插圖是與薄膜厚度相對(duì)應(yīng)的高度輪廓。 (d)2-nm玻璃態(tài)石墨烯的CS-AFM圖像，在與圖(c)相同的區(qū)域進(jìn)行掃描，并根據(jù)空間電流圖確定。比例尺為1µm，顏色條表示電流從藍(lán)色增加到粉紅色。(e)幾層玻璃態(tài)石墨烯的HR-TEM圖像。比例尺為5納米。(f)石英上0.9-nm玻璃態(tài)石墨烯器件陣列的數(shù)碼照片，顯示出良好的透明度。比例尺為2 mm。
圖2. 與單層石墨烯光電探測器相比，幾層玻璃態(tài)石墨烯光電探測器的光響應(yīng)性能結(jié)果。(a)照明下玻璃態(tài)石墨烯光電探測器的示意圖。(b)玻璃態(tài)石墨烯光電探測器在黑暗和405nm光照下的
I-V特性曲線，功率密度為1.23 mW cm
-2。(c)玻璃態(tài)石墨烯光電探測器(1.5 nm)在功率密度為1.23 mW cm
-2，405nm的激光照射下的激光開關(guān)光響應(yīng)動(dòng)力學(xué)。施加的恒定電壓為1V。(d)在405nm，功率密度為27.4 mW cm
-2的光照下單層石墨烯光電探測器的光響應(yīng)動(dòng)力學(xué)。施加的恒定電壓為1V。
圖3.可見光-近紅外附加照明下的光響應(yīng)特性、功率依賴光響應(yīng)性能和玻璃態(tài)石墨烯光電探測器的能帶結(jié)構(gòu)。(a)玻璃態(tài)石墨烯光電探測器(1.5 nm)分別在450、520、635和780 nm光照下的周期性瞬態(tài)光響應(yīng)。施加的恒定電壓為1V。(b)另一組1.5 nm玻璃態(tài)石墨烯光電探測器在808和980 nm激光照射下的光響應(yīng)動(dòng)力學(xué)。施加的恒定電壓為1V。(c) 在1 V偏置電壓、405 nm激光照明、不同照明功率密度下，玻璃態(tài)石墨烯光電探測器(5.4 nm)的功率依賴性瞬態(tài)光響應(yīng)。(d)由功率函數(shù)擬合的光電流與功率密度。(e)響應(yīng)度和探測率與功率密度的關(guān)系。(f)玻璃態(tài)石墨烯光電探測器在偏置電壓下(上圖)和光照下(下圖)的能帶結(jié)構(gòu)。
圖4.玻璃態(tài)石墨烯器件的液態(tài)丙酮傳感特性和玻璃態(tài)石墨烯/石英的靜滴測量結(jié)果。在(a)V
bias= 0.5 V和(b)不同V
bias時(shí)，0.9-nm FGD的動(dòng)態(tài)檢測響應(yīng)。(a)中的插圖顯示了用于傳感的玻璃態(tài)石墨烯器件結(jié)構(gòu)示意圖。(c) 2-nm FGD和(d) 25-nm MGD的動(dòng)態(tài)檢測響應(yīng)。(e) 30µL丙酮分別在0.9 nm和25 nm玻璃態(tài)石墨烯/石英表面的接觸角隨時(shí)間的變化。(f) 0.9-nm和(g) 25-nm玻璃態(tài)石墨烯在石英上丙酮接觸角的延時(shí)圖像序列。(a)、(c)和(d)中的紅色箭頭表示通道與丙酮液滴接觸的時(shí)間點(diǎn)。
圖5. 能帶結(jié)構(gòu)和傳感性能比較結(jié)果。(a)FGD和(b)MGD的對(duì)齊能帶結(jié)構(gòu)示意圖。分子模型表示丙酮分子。黑色、白色和紅色的球分別代表碳原子、氫原子和氧原子。感測(c)IPA和(d)甲醇時(shí)2-nm FGD的動(dòng)態(tài)檢測響應(yīng)。箭頭表示玻璃態(tài)石墨烯通道與分析物接觸的時(shí)間。器件檢測不同VOC液體時(shí)(e)電流變化率和(f)信噪比(SNR)隨厚度的變化趨勢(shì)及其電導(dǎo)率。(g)FGD和石墨烯器件之間的電流變化率比較。（h） FGD和石墨烯器件之間的壓敏SNR比較。所需的最低SNR為3。
相關(guān)研究成果由倫敦大學(xué)學(xué)院電子與電氣工程系、電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿科學(xué)研究院Xiao Li等人于2021年發(fā)表在SCIENCE CHINA Materials (https://doi.org/10.1007/s40843-020-1601-9)上。原文：Multifunctional two-dimensional glassy graphene devices for vis-NIR photodetection and volatile organic compound sensing。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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