近日，山东大学集成电路学院李虎、宋爱民团队在高性能半导体石墨烯光电探测器研究中取得重要进展，相关成果以“High-Performance Photodetectors Based on Semiconducting Graphene Nanoribbons” 为题发表在Nano Letters (中科院一区期刊, IF=10.8)，学院博士研究生王名扬为论文第一作者，李虎教授和宋爱民教授为论文共同通讯作者，山东大学为论文第一完成单位。该工作是宋爱民团队今年在Nano Letters发表的第三篇高性能石墨烯微电子器件研究论文（另外两篇见Nano Lett. 2023, 23, 8132−8139、Nano Lett. 2023, 23, 9170–9177）。

石墨烯凭借其极高的载流子迁移率和独特的电子能带结构在光电领域拥有巨大的发展前景，被认为是光电探测的一种理想材料。然而其固有的超快光载流子复合速率和低光吸收效率导致基于石墨烯材料的光电探测器在实际电子器件中的响应度极低。因此在大多数报道的石墨烯基光电探测器中，例如光电晶体管和光电导探测器，当将石墨烯用作光吸收介质时，传感器通常只能表现出mA/W级别的弱光学响应度，这一直是领域内的科学难题，严重限制了石墨烯的光电应用。

团队通过开解单壁碳纳米管成功制备了具有直接带隙1.8 eV的半导体性石墨烯纳米带，从而在保持石墨烯超高载流子迁移率的基础上借助量子限域效应成功打开了其能隙，并首次将其用作光吸收层与单晶硅联合构建垂直异质结型光电探测器。该光电探测器的响应度高达1052 A/W，将之前报道的本征石墨烯异质结光电探测器的响应度提高了约5个数量级，此外探测器同时具备310 μs的超快响应速度、高达3.13 × 1013 Jones的比探测率和超过105 %的外量子效率，均是石墨烯基光电探测器的最佳值。有趣的是即使在零偏压下（自驱动），该光电探测器仍表现出了1.04 A/W的高响应度，表明该器件具备碳基材料中少见的自供电光电探测性能。因此该研究为未来高性能光电探测器开辟了一条新的路线。

本研究得到了国家重点研发计划（2022YFA1405200、2022YFB3603900）、国家自然科学基金（62074094）、山东省科技厅/自然科学基金（2017GGX10111、ZR2022ZD05、ZR2021QE148）、山东省海外优青、山东大学齐鲁青年学者等项目支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c03563