Synergistic-potential engineering enables high-efficiency graphene photodetectors for near- to mid-infrared light

光电探测器 石墨烯 量子效率 响应度 红外线的 光电子学 材料科学 电介质 黑体辐射 纳米技术 光学 物理 辐射
作者
Hao Jiang,Jintao Fu,Jingxuan Wei,Shaojuan Li,Changbin Nie,Feiying Sun,Qing Yang Steve Wu,Mingxiu Liu,Zhaogang Dong,Xingzhan Wei,Weibo Gao,Cheng‐Wei Qiu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:50
标识
DOI:10.1038/s41467-024-45498-3
摘要

Abstract High quantum efficiency and wide-band detection capability are the major thrusts of infrared sensing technology. However, bulk materials with high efficiency have consistently encountered challenges in integration and operational complexity. Meanwhile, two-dimensional (2D) semimetal materials with unique zero-bandgap structures are constrained by the bottleneck of intrinsic quantum efficiency. Here, we report a near-mid infrared ultra-miniaturized graphene photodetector with configurable 2D potential well. The 2D potential well constructed by dielectric structures can spatially (laterally and vertically) produce a strong trapping force on the photogenerated carriers in graphene and inhibit their recombination, thereby improving the external quantum efficiency (EQE) and photogain of the device with wavelength-immunity, which enable a high responsivity of 0.2 A/W–38 A/W across a broad infrared detection band from 1.55 to 11 µm. Thereafter, a room-temperature detectivity approaching 1 × 10 9 cm Hz 1/2 W −1 is obtained under blackbody radiation. Furthermore, a synergistic effect of electric and light field in the 2D potential well enables high-efficiency polarization-sensitive detection at tunable wavelengths. Our strategy opens up alternative possibilities for easy fabrication, high-performance and multifunctional infrared photodetectors.
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