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二维碳族晶体石墨烯具有高达200,000cm2V-1s-1的载流子迁移率以及从可见光到中红外的超宽光谱吸收,使得石墨烯在宽光谱超快光电探测方面具有广阔的发展前景。然而,石墨烯极低的光吸收度(2.3%)和超快的载流子-声子散射时间导致其光电响应度很低(仅为0.01A/W左右)。这严重阻碍了石墨烯在光电领域的应用。本项目拟通过在石墨烯中引入能够捕获光生电子的缺陷态陷阱,从而延长光生电子-空穴的复合时间,进而提高石墨烯的光电响应度。前期的实验结果表明,经过金属Ti处理后,石墨烯上形成了高密度的缺陷态和电子带隙。且其光电响应度明显提高。此方法简便可行,成本低,适合于大面积制备。本项目将在前期实验的基础上进一步研究金属处理参数与石墨烯缺陷态及带隙大小的关系,最终实现可控制备。此外,还将探索缺陷类型,缺陷态密度及带隙大小对探测器性能影响的机理,为设计高性能石墨烯光电探测器提供理论指导和工艺支持。
二维碳族晶体石墨烯具有高达200,000cm2V-1s-1的载流子迁移率以及从可见光到中红外的超宽光谱吸收,使得石墨烯在宽光谱超快光电探测方面具有广阔的发展前景。然而,石墨烯极低的光吸收度(2.3%)和超快的载流子-声子散射时间导致其光电响应度很低(仅为0.01A/W左右)。这严重阻碍了石墨烯在光电领域的应用。本项目拟通过在石墨烯中引入能够捕获光生电子的缺陷态陷阱,从而延长光生电子-空穴的复合时间,进而提高石墨烯的光电响应度。前期的实验结果表明,经过金属Ti处理后,石墨烯上形成了高密度的缺陷态和电子带隙。且其光电响应度明显提高。此方法简便可行,成本低,适合于大面积制备。本项目将在前期实验的基础上进一步研究金属处理参数与石墨烯缺陷态及带隙大小的关系,最终实现可控制备。此外,还将探索缺陷类型,缺陷态密度及带隙大小对探测器性能影响的机理,为设计高性能石墨烯光电探测器提供理论指导和工艺支持。
石墨烯有很多多型号,每种型号的参数指标都不一样,常见的有单层石墨烯,少层石墨烯,多层石墨烯。纯度一般在95~99.5%.具体要看要求,价格在几十元到几百元每克,市面上很多用石墨烯氧化物当石墨烯卖的,那...
制造下一代超级计算机。石墨烯是目前已知导电性能最好的材料,这种特性尤其适合于高频电路,石墨烯将是硅的替代品,可用来生产未来的超级计算机,使电脑运行速度更快、能耗降低。制造“太空电梯”的缆线。科学家幻想...
石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,厚度仅为头发的20万分之一,是构建其它维数碳质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元,具有极好的结晶性及电学质量。石墨烯...
新型石墨烯光电探测器
据物理学家组织网4月14日报道,西班牙和美国科学家合作研制出一种基于石墨烯的光电探测器转化仪,其能在不到50飞秒(飞秒为千万亿分之一秒)的时间内将光转化为电信号,几乎接近光电转化速度的极限,将大力助推多个领域的发展。高效的光电转化技术,因为能让光所携带的信息转化成可在电子电路中进行处理的电信号,在从照相机到太阳能电池等多个关键技术领域发挥着重要作用,也是数据通讯应用的重要支撑。尽管石墨烯是一种拥有
光伏发电是未来能源结构的重要组成,探索新概念太阳电池尤为重要。围绕太阳光充分利用、电荷有效分离与收集,申请人拟构建三维联通的石墨烯网络,作为半导体的载体,通过多种吸光材料的负载,集成出宽光谱太阳电池。主要研究内容:(1)探索石墨烯薄膜的低温PECVD生长。通过研究等离子体-制备条件-成核生长的动力学过程,发展石墨烯低温制备的新方法。(2)新型Smart Substrate复合衬底设计。利用金属不同碳溶解度和扩散率,设计双元金属、金属-绝缘体的智能复合衬底,结合PECVD技术,进行石墨烯的低温生长。(3)衬底孔道结构设计与三维石墨烯制备。借助于多孔陶瓷和粉末冶金制备技术,研制特定孔结构的衬底,基于上述基础,制备三维联通的石墨烯网络。(4)新型宽光谱太阳电池集成。基于石墨烯/光电转换材料的复合设计,以三维石墨烯为导电骨架,以不同吸光材料作为载体,制备三维石墨烯宽光谱型器件。
稳定光源的谱宽是指稳定光源输出光谱从其最大点下降3dB所对应的宽度。
光电探测器件的应用选择, 实际上是应用时的一些事项或要点。在很多要求不太严格的应用中,可采用任何一种光电探测器件。不过在某些情况下,选用某种器件会更合适些。例如,当需要比较大的光敏面积时,可选用真空光电管,因其光谱响应范围比较宽,故真空光电管普遍应用于分光光度计中。当被测辐射信号微弱、要求响应速度较高时,采用光电倍增管最合适,因为其放大倍数可达to'以上,这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分量,使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此,在天文学、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面,光电倍增管得到广泛应用。
固体光电探测器用途非常广。CdS光敏电阻因其成本低而在光亮度控制(如照相自动曝光)中得到采用;光电池是固体光电器件中具有最大光敏面积的器件,它除用做探测器件外,还可作太阳能变换器;硅光电二极管体积小、响应快、可靠性高,而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率,困而在各种工业控制中获得应用。硅雪崩管由于增益高、响应快、噪声小,因而在激光测距与光纤通信中普遍采用。
photoconductive detector 利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应,是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等;在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊,连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法,整个靶面由约10万个单独探测器组成。
1873年,英国W.史密斯发现硒的光电导效应,但是这种效应长期处于探索研究阶段,未获实际应用。第二次世界大战以后,随着半导体的发展,各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面,到50年代中期,性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。60年代初,中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功,典型的例子是工作在3~5微米和8~14微米波段的Ge:Au(锗掺金)和Ge:Hg光电导探测器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。 工作原理和特性 光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时,光子能够将价带中的电子激发到导带,从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数,v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度(单位为电子伏)。因此,本征光电导体的响应长波限λc为 λc=hc/Eg=1.24/Eg (μm) 式中 c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。
在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料,因而人们利用非本征光电导效应。Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级,照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能,就能够产生光生自由电子或自由空穴。非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得 λc=1.24/Ei 式中Ei代表杂质能级的离化能。到60年代中后期,Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段。它们的禁带宽度随组分x值而改变,例如x=0.2的HG0.8Cd0.2Te材料,可以制成响应波长为 8~14微米大气窗口的红外探测器。它与工作在同样波段的Ge:Hg探测器相比有如下优点:
工作温度高(高于77K),使用方便,而Ge:Hg工作温度为38K;本征吸收系数大,样品尺寸小;易于制造多元器件。表1和表2分别列出部分半导体材料的Eg、Ei和λc值。
通常,凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有:CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近红外波段有:PbS、InGaAs、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等;CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。 可见光波段的光电导探测器 CdS、CdSe、CdTe 的响应波段都在可见光或近红外区域,通常称为光敏电阻。它们具有很宽的禁带宽度(远大于1电子伏),可以在室温下工作,因此器件结构比较简单,一般采用半密封式的胶木外壳,前面加一透光窗口,后面引出两根管脚作为电极。高温、高湿环境应用的光电导探测器可采用金属全密封型结构,玻璃窗口与可伐金属外壳熔封。
器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的大小来表示。例如一种CdS光敏电阻,当偏压为70伏时,暗电流为10-6~10-8安,光照灵敏度为3~10安/流明。CdSe光敏电阻的灵敏度一般比 CdS高。光敏电阻另一个重要参数是时间常数 τ,它表示器件对光照反应速度的大小。光照突然去除以后,光电流下降到最大值的 1/e(约为37%)所需的时间为时间常数 τ。也有按光电流下降到最大值的10%计算τ的;各种光敏电阻的时间常数差别很大。CdS的时间常数比较大(毫秒量级)。 红外波段的光电导探测器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用响应波段在 1~3微米、3~5微米、8~14微米三个大气透过窗口。由于它们的禁带宽度很窄,因此在室温下,热激发足以使导带中有大量的自由载流子,这就大大降低了对辐射的灵敏度。
响应波长越长的光,电导体这种情况越显著,其中1~3微米波段的探测器可以在室温工作(灵敏度略有下降)。3~5微米波段的探测器分三种情况:
在室温下工作,但灵敏度大大下降,探测度一般只有1~7×108厘米·瓦-1·赫;热电致冷温度下工作(约-60℃),探测度约为109厘米·瓦-1·赫;77K或更低温度下工作,探测度可达1010厘米·瓦-1·赫以上。8~14微米波段的探测器必须在低温下工作,因此光电导体要保持在真空杜瓦瓶中,冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种。
红外探测器的时间常数比光敏电阻小得多,PbS探测器的时间常数一般为50~500微秒,HgCdTe探测器的时间常数在10-6~10-8秒量级。红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号,例如10-14 瓦;输出的电信号也非常小,因此要有专门的前置放大器。
在动态特性(即频率响应与时间响应)方面,以光电倍增管和光电二极管(尤其是PIN管与雪崩管)为最好;在光电特性(即线性)方面,以光电倍增管、光电二极管和光电池为最好;在灵敏度方面,以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好。值得指出的是,灵敏度高不一定就是输出电流大,而输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管和光电三极管;外加偏置电压最低的是光电二极管、光电三极管,光电池不需外加偏置;在暗电流方面,光电倍增管和光电二极管最小,光电池不加偏置时无暗电流,加反向偏置后暗电流也比光电倍增管和光电二极管大;长期工作的稳定性方面,以光电二极管、光电池为最好,其次是光电倍增管与光电三极管;在光谱响应方面,以光电倍增管和CdSe光敏电阻为最宽,但光电倍增管响应偏紫外方向,而光敏电阻响应偏红外方向。