多功能設備對于在同一平臺上進行集成和小型化非常重要，但是簡單地功能增加會導致設備過大。在這里，光探測和化學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，扭曲的晶格結構產生的適當帶隙使玻璃態(tài)石墨烯具有相當甚至更優(yōu)異的光電探測和化學傳感性能。由于玻璃態(tài)石墨烯和周圍孔氣之間較強的相互作用，這種器件對光致脫附的敏感性低于石墨烯器件。因此，幾層玻璃態(tài)石墨烯器件呈現正的光響應，在405nm的激光照射下,器件的響應率為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變可以增強分析物的吸附，從而獲得良好的化學傳感性能。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,對偏壓和厚度有關的揮發(fā)性有機化合物(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傳感方面的潛力，為以后的多功能應用提供了一個有希望的解決方案。
圖1.玻璃態(tài)石墨烯的材料表征結果和器件陣列圖片。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應的高度輪廓。 (d)2-nm玻璃態(tài)石墨烯的CS-AFM圖像，在與圖(c)相同的區(qū)域進行掃描，并根據空間電流圖確定。比例尺為1µm，顏色條表示電流從藍色增加到粉紅色。(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性能結果。(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光響應動力學。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動力學。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特性、功率依賴光響應性能和玻璃態(tài)石墨烯光電探測器的能帶結構。(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。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動力學。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。(d)由功率函數擬合的光電流與功率密度。(e)響應度和探測率與功率密度的關系。(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)的能帶結構。
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/石英的靜滴測量結果。在(a)V
bias= 0.5 V和(b)不同V
bias時，0.9-nm FGD的動態(tài)檢測響應。(a)中的插圖顯示了用于傳感的玻璃態(tài)石墨烯器件結構示意圖。(c) 2-nm FGD和(d) 25-nm MGD的動態(tài)檢測響應。(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間點。
圖5. 能帶結構和傳感性能比較結果。(a)FGD和(b)MGD的對齊能帶結構示意圖。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2-nm FGD的動態(tài)檢測響應。箭頭表示玻璃態(tài)石墨烯通道與分析物接觸的時間。器件檢測不同VOC液體時(e)電流變化率和(f)信噪比(SNR)隨厚度的變化趨勢及其電導率。(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。
相關研究成果由倫敦大學學院電子與電氣工程系、電子科技大學基礎與前沿科學研究院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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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