下载文档原格式
石墨烯探测器在光通信中的具体应用石墨烯作为一种新型的二维材料，其独特的电子特性和光电性能使其成为光通信领域中的重要应用材料。
在光通信中，石墨烯探测器通过其对光电信号的高灵敏度和快速响应速度，实现了高速、高效的信号检测和传输，为现代通信技术的发展提供了技术支持。
石墨烯探测器在光通信中的第一个具体应用是光电检测。
石墨烯作为一种半导体材料，具有宽带隙和高载流子迁移率的特性，使其在光探测中具有极高的灵敏度。
石墨烯探测器能够快速响应光信号，并将其转化为电信号进行处理，实现高速数据传输。
此外，石墨烯探测器还具有宽工作波长范围和高分辨率的优势，能够适应不同光源的检测需求，保证信号传输的准确性和稳定性。
石墨烯探测器在光通信中的另一个重要应用是光电调制。
石墨烯具有极高的电子迁移率和宽带隙，在外加电场的作用下，能够实现光的强度和相位的调制。
借助于石墨烯的这一特性，可以实现高速、高效的光信号调制，提高光通信系统的传输速率和容量。
石墨烯探测器作为光电调制器的核心元件，能够通过改变其电流和电阻来实现对光信号的调制，具有快速、稳定和高效的特点，为光通信领域的应用提供了广阔的发展空间。
除了光电检测和光电调制，石墨烯探测器还在光通信中发挥着重要的作用。
例如，石墨烯探测器可以用于光学开关和光放大器等设备的制备，实现光信号的切换和增强，提高光通信系统的可靠性和性能。
此外，石墨烯探测器还可以结合其他材料，如光纤和波导，构建光电集成器件，实现功能的多样化和集成化，为光通信的应用提供更多的选择和发展方向。
总结起来，石墨烯探测器在光通信中具有广泛的应用前景和指导意义。
其高灵敏度、快速响应和多功能性使其成为光通信系统中的重要组成部分。
在未来的发展中，我们可以期待石墨烯探测器在光通信领域的进一步突破和应用，为人类的通信技术带来更多的创新和发展。
第50卷第1期 V〇1.50 No.l红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年1月Jan. 2021非制冷红外探测器研究进展（特邀）余黎静^3,唐利斌杨文运2,郝群”(1.北京理工大学光电学院信息光子技术工信部重点实验室，北京10008卜，2.昆明物理研究所，云南昆明650223;3.云南省先进光电材料与器件重点实验室，云南昆明650223)摘要：非制冷红外探测器由于无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有成本低、体积小、功耗低 等特点，在红外领域得到了广泛的应用。
在军事应用方面，非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制 冷型探测器的应用范围，大量应用在一些低成本的武器系统，甚至在一些应用领域取代了原来的非制 冷型探测器。
在民用领域方面，更表现出了其价格和使用方便的优势，在民用车载夜视、安防监控等应 用领域引起了广泛的兴趣和关注。
文中介绍了 Bolometer、热释电、热电堆等几种典型非制冷红外探测 器的工作原理，列举了目前已实现商业化应用的主要产品在国内外的情况，着重介绍了目前应用最广 泛的Bolometer器件主流产品的像元间距、阵列规格、性能及其封装发展的情况。
除了已实现商业化 应用的Bolometer、热释电、SO I二极管等探测器等产品，还详细介绍了一些非制冷探测新技术或新型 器件：比如超表面在增强某些波段吸收方面的应用，新材料的Bolometer探测器、双材料新型非制冷器 件、石墨烯、量子点、纳米线等光电探测技术的研究进展。
最后文章还对今后非制冷红外探测器的发展 趋势作了预测。
关键词：非制冷；红外探测器；热释电；Bolometer;封装中图分类号：TN215 文献标志码：A D O I：10.3788/IRLA20211013Research progress of uncooled infrared detectors(Invited)Yu Lijing1'2'3,Tang Libin1'2'3*,Yang Wenyun2,Hao Qun1*(1. The Laboratory of Photonics Information Technology, Ministry of Industry and Information Technology,School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China;3. Yunnan Key Laboratory of Advanced Photoelectric Materials & Devices, Kunming 650223, China)Abstract:Uncooled infrared detectors are widely used in the infrared field due to their low cost,small size,and low power consumption because they do not need the cooling device and can work at room temperature.In military application field,the uncooled detector has gradually entered the application domain of previous refrigerated detector,and has been widely used in some low-cost weapon systems,even replaced the original uncooled detectors in some application fields.In the civil field,it has shown its advantages in price and ease of use,and has aroused widespread interest and attention in civil in-vehicle night vision,security monitoring and other application field.The working theory of several typical uncooled infrared detectors such as Bolometer, pyroelectric,thermopile,etc.were introduced,and the status of the main products that have been commercialized at home and abroad was enumerated,the development of pixel pitch,array specifications,performance and收稿日期:2020-1卜24;修订日期:2020-12-08基金项目:国家重点研发计划（2019YFB2203404);云南省创新团队（2018HC020)packaging of mainstream bolometer devices was focused,which were currently the most widely used.In addition to the bolometer,pyroelectric,SOI diode and other products that had been commercialized,some new uncooled detection technologies or new detectors were introduced in detail:such as the application of metasurfaces in enhancing absorption in certain wavebands,the research progress of new materials bolometer,new bi-material uncooled devices,graphene,quantum dots,nanowires and other photoelectric detection technologies.Finally,the future development trend of u ncooled infrared detectors were predicted in the end of t he review. Key words:uncooled;infrared detector;pyroelectric;bolometer;package〇引言在红外系统中，红外探测器作为探测、识别目标 的关键，其主要作用是将人射的红外信号转化为可以 检测的电信号后进行输出。
石墨烯材料在光电器件中的应用研究随着科技的发展，新型材料被不断地研发出来并被应用在各个领域。
石墨烯材料作为一种新型材料，在科学界引起了极大的关注。
石墨烯材料的绝热性、导电性和透明度使其成为光电器件领域的一个重要材料。
石墨烯材料在光电器件中的应用研究已成为一个热点话题，本文将介绍石墨烯材料在光电器件中的应用现状及其未来的发展趋势。
一、石墨烯材料的基本概念首先，我们来了解一下石墨烯材料的基本概念。
石墨烯通常被定义为由一层碳原子所组成的二维纳米晶体，由于其特殊的结构及物理性质使其在科学研究领域吸引了广泛的关注。
石墨烯材料具有很高的光吸收系数、宽带电导率、极高的载流子迁移率等特点，这些特性使得石墨烯在光电器件领域中拥有广阔的应用前景。
二、石墨烯材料在太阳能电池领域的应用研究太阳能电池是一种将太阳能转化成电能的设备，而石墨烯材料在太阳能电池领域的应用研究也越来越受到重视。
一项研究表明，将石墨烯可以应用在太阳能电池中的各个方面，得以提高太阳能电池的效率和稳定性。
例如，石墨烯可以应用于太阳能电池的透明导电层、电极等方面，可以大幅提高太阳能电池的电荷传输效率和光吸收效率，同时还可以增强太阳能电池器件的稳定性和寿命。
三、石墨烯材料在显示器领域的应用研究显示器是人们日常生活中用到的设备，而石墨烯材料也可以应用在显示器领域。
一项研究表明，石墨烯在显示器领域可以作为一种非常有效的透明电极，在各种显示器设备中都有很大的应用前景。
例如，在 OLED 显示器中，可以通过石墨烯制成的透明电极大幅提高显示器的透光率和稳定性，进一步提高显示器的显示效果和使用寿命。
四、石墨烯材料在光电探测器领域的应用研究光电探测器是一种将光信号转化为电信号的设备，而石墨烯材料在光电探测器领域的应用研究也有着非常广泛的前景。
一项研究表明，石墨烯可以在光电探测器中作为一种非常有效的光电传感器，可以大幅提高光电探测器的灵敏度和响应速度。
同时，利用石墨烯可以制备光电探测器各种元件，越来越多的研究表明，石墨烯在光电探测器领域应用的前景非常广阔，未来一定会有更多的新型设备采用石墨烯材料来实现更加高效的光电转化。
石墨烯纳米材料
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，具有许多出色的特性，如高
导热性、高机械强度和优异的电学特性。
由于这些特性，石墨烯被广泛认为是未来材料科学领域的一个重要研究方向。
首先，石墨烯的高导热性使其成为热管理领域的理想材料。
石墨烯的热导率非
常高，远远超过许多其他材料。
这使得石墨烯可以应用于电子设备和热管理系统中，提高设备的散热效率，从而延长设备的使用寿命。
其次，石墨烯的高机械强度使其成为一种理想的结构材料。
石墨烯的强度非常高，即使是单层石墨烯也可以承受很大的拉伸力。
这使得石墨烯可以应用于制备高强度的复合材料，用于航空航天和汽车等领域，提高材料的强度和耐久性。
另外，石墨烯的优异电学特性也为其在电子领域的应用提供了广阔的空间。
石
墨烯具有非常高的电子迁移率和热稳定性，使其成为一种优秀的导电材料。
这使得石墨烯可以用于制备高性能的电子器件，如场效应晶体管和光电探测器等。
总的来说，石墨烯作为一种纳米材料，具有许多出色的特性，使其在热管理、
结构材料和电子器件等领域都有着广阔的应用前景。
随着石墨烯制备技术的不断进步，相信石墨烯将会在未来的材料科学领域发挥越来越重要的作用。
石墨烯的光电性质研究石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维晶体材料，具有独特的光电性质，因而引起了广泛的研究兴趣。
本文将深入探讨石墨烯的光电性质，并介绍相关研究成果。
一、石墨烯的光电转换效应光电转换效应是石墨烯的光电性质中最为重要的特征之一。
石墨烯能够将光能转换为电能，或者将电能转换为光能。
这种转换效应开辟了许多应用领域，如太阳能电池、光电探测器等。
1. 石墨烯太阳能电池石墨烯太阳能电池是利用石墨烯对光的吸收和电子传输特性实现能量转换的一种新型太阳能电池。
石墨烯具有高电导率和宽光谱吸收特性，能够有效地吸收太阳能，并将其转化为可用的电能。
近年来，许多研究表明，石墨烯太阳能电池具有高效率和稳定性的优势，有望成为未来太阳能领域的重要技术。
2. 石墨烯光电探测器石墨烯光电探测器是一种能够实现高灵敏度和快速响应的光电转换器件。
石墨烯能够吸收几乎整个可见光和红外光谱范围的光线，并将其转化为电信号。
石墨烯光电探测器的灵敏度和响应速度远超过传统的光电探测器，因此在通信、光学成像等领域具有广阔的应用前景。
二、石墨烯的光学性质研究石墨烯的光学性质是指它对光的吸收、反射和透射等特性。
研究石墨烯的光学性质对于了解其光电行为和优化相关器件具有重要意义。
1. 石墨烯的吸收特性石墨烯对光的吸收是其光电转换效应的基础。
研究发现，石墨烯对于可见光和红外光谱范围内的光线具有高达2.3%的吸收率，远高于其他材料。
这种高吸收率使得石墨烯成为太阳能电池和光电探测器等器件中的理想材料。
2. 石墨烯的反射和透射特性除了吸收特性之外，石墨烯对光的反射和透射特性也受到广泛研究。
石墨烯具有极高的光透射率，在可见光谱范围内的透射率可达97.7%，这使得石墨烯在光学器件的透明电极方面具有潜在应用价值。
此外，石墨烯也具有极低的反射率，可使光能更充分地被吸收和利用。
三、石墨烯的电学性质研究石墨烯的电学性质对于光电转换效应的实现和应用至关重要。
下面将介绍石墨烯在电学性质方面的研究进展。
长沙理工大学材料科学导论石墨烯论文组长姓名：颜虎斌成员姓名：董文渊唐文楚吴世宇梁紫璋王朔指导老师：陈**石墨烯摘要石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。
极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
石墨烯是非常重要的材料。
本论文首先对石墨烯的组成及基本性质进行阐述，然后分析石墨烯的制备方法，得出石墨烯的使用性质及应用。
关键词：石墨烯目录一、石墨烯简介 (1)1.1石墨烯的来源 (2)1.2石墨烯的成分 (2)1.3石墨烯的结构 (2)二、石墨烯的基本性质 (3)2.1石墨烯的化学性质 (3)2.2石墨烯的物理性质 (3)三、石墨烯的制备方法及工艺流程 (3)3.1物理方法 (3)3.2化学方法 (5)四、石墨烯的应用及前景 (6)4.1应用 (6)4.2发展前景 (7)一、石墨烯简介1.1石墨烯的来源石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
1.2石墨烯的成分石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。
1.3石墨烯的结构石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。
碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。
石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。
在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。
石墨烯是新一代的透明导电材料，在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO薄膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO薄膜。
新型 X 线探测器材料及性能评估第一部分X 线探测器材料概述 (2)第二部分新型材料研究背景与意义 (3)第三部分常见X 线探测器类型介绍 (6)第四部分新型X 线探测器材料分类 (8)第五部分无机半导体探测器材料特性 (10)第六部分有机半导体探测器材料特性 (13)第七部分薄膜晶体管(TFT)技术应用 (15)第八部分探测器性能评估方法与指标 (17)第九部分实际应用中的挑战与解决方案 (20)第十部分未来发展趋势与前景展望 (21)第一部分X 线探测器材料概述X 线探测器材料是实现X 射线成像的关键组成部分。
随着科学技术的不断发展，各种新型X 线探测器材料的研发和应用逐渐成为研究热点。
X 线探测器的工作原理主要基于光电效应、康普顿散射和电子-空穴对的产生与分离。
根据不同的物理过程和信号转换方式，X 线探测器可分为直接转换型和间接转换型两大类。
其中，直接转换型探测器将X 射线能量直接转化为电荷或电信号；而间接转换型探测器则需要通过闪烁体等中介物质将X 射线能量转化为可见光或其他形式的能量，然后再通过光电二极管等器件将这种能量转化为电信号。
常见的直接转换型X 线探测器材料包括硅（Si）、硒化镉（CdSe）、碲化镉（CdTe）和硒化锌镉（ZnCdSe）等半导体材料。
这些材料具有较高的检测效率和良好的线性响应特性，能够实现高分辨率和快速响应的X 射线成像。
然而，由于其成本较高、工艺复杂等原因，它们的应用范围相对较窄。
相比之下，间接转换型X 线探测器材料具有更广泛的应用前景。
常用的间接转换型X 线探测器材料主要包括碘化铯（CsI）、碘化铅（PbI2）和硫氧化钆（GdOS）等闪烁体材料。
这些闪烁体材料具有较低的成本、较宽的吸收范围和较好的发光特性，能够在低剂量条件下获得高质量的X 射线图像。
此外，近年来还出现了一些新型X 线探测器材料，如钙钛矿材料、二维材料等。
例如，钙钛矿材料因其独特的光电性能和易于制备的特点，被广泛关注。
基于新型二维材料及异质结光电探测器的研究一、本文概述随着纳米科技的飞速发展和材料科学的深入探索，二维（2D）材料及其异质结构因其独特的电子和光学性质，在光电探测领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在探讨基于新型二维材料及异质结的光电探测器的研究进展，分析它们的性能优势，以及面临的挑战和未来的发展方向。
我们将首先简要介绍二维材料的基本特性及其异质结的构造原理，然后重点综述近年来在二维材料光电探测器设计、制备和应用方面取得的突出成果，最后展望该领域未来的发展趋势和可能的应用场景。
通过本文的阐述，我们期望能够为相关领域的研究者提供有益的参考，推动基于二维材料及异质结的光电探测器技术的进一步发展。
二、新型二维材料的性质及其在光电探测器中的应用近年来，新型二维材料，如石墨烯、二硫化钼（MoS₂）、二硒化钨（WS₂）等，因其独特的物理和化学性质，如高电子迁移率、直接带隙、强光-物质相互作用等，已成为光电探测器领域的研究热点。
这些二维材料在光电探测领域的应用潜力巨大，有望解决传统光电探测器面临的诸如响应速度慢、探测效率低等问题。
二维材料因其原子级别的厚度，具有极高的比表面积，使得它们对光的吸收效率极高。
二维材料中的载流子迁移率高，可以实现快速的光电响应。
再者，二维材料的带隙结构可调，可以通过改变层数、掺杂、应变等方式调控其光学和电学性质，从而实现对不同波长光的高效探测。
在光电探测器中，二维材料可以作为光吸收层、电荷传输层或电极材料等。
例如，石墨烯因其高电子迁移率和宽带光谱响应，被广泛应用于光电导型探测器。
而二硫化钼等二维半导体材料，则因其直接带隙和强光电转换效率，在光伏型探测器中有广泛应用。
二维材料还可以与其他材料形成异质结，进一步提高光电探测性能。
异质结可以通过调控界面处的能带结构，实现光生载流子的有效分离和传输，从而提高光电转换效率和响应速度。
例如，石墨烯与硅的异质结探测器，结合了石墨烯的高迁移率和硅的高光电转换效率，实现了高性能的光电探测。
石墨烯电磁场-概述说明以及解释1.引言1.1 概述石墨烯是一种由碳原子构成的单层网格结构的二维材料，具有很多独特的性质和应用潜力。
它是由安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年首次制备成功的。
石墨烯的最大特点是具有优异的导电性、热传导性和机械性能。
石墨烯的导电性非常突出，比铜导电性还高达200倍，这使得它成为电子器件中理想的材料之一。
此外，石墨烯的电子迁移率也非常高，达到数千平方厘米每伏特每秒，这使得电子在石墨烯中的运动速度非常快，从而有助于提高电子器件的工作速度和性能。
除了导电性，石墨烯还具有出色的热传导性能。
由于其结构中碳原子之间的紧密排列，热能在石墨烯中的传播速度非常快。
因此，石墨烯在热管理领域有着广泛的应用前景，可以应用于集成电路、电子设备等热散热问题的解决。
此外，石墨烯还具有很高的机械强度和柔韧性。
它的抗拉强度达到130 GPa，是钢铁的200倍。
同时，石墨烯的柔韧性也非常好，可以被弯曲至任意角度而不出现断裂。
这些特性使得石墨烯在材料科学和纳米技术领域有着巨大的应用潜力，可以用于制备高强度、高韧性的复合材料和纳米器件。
总之，石墨烯作为一种新型的二维材料，具有很多出色的性质和应用潜力。
它的导电性、热传导性和机械性能使得它成为各种领域的研究热点，并且有可能在未来的技术革命中发挥重要作用。
然而，虽然石墨烯有着广泛的应用前景，但目前仍面临着一些挑战，如大规模制备、可控生长等方面的难题，需要通过更深入的研究和技术突破来解决。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包含以下要点：文章结构部分是为了向读者介绍整篇文章的组织和布局，让读者在阅读之前就能对文章的内容有所预期。
在这部分内容中，我将简要介绍以下几个方面：首先，我将介绍本文的整体结构。
本文分为引言、正文和结论三个部分，每个部分都有具体的内容安排和目的。
在引言部分，我将对石墨烯和电磁场这两个关键概念进行概述，以引起读者的兴趣。
新型光电探测器的灵敏度提升策略在当今科技飞速发展的时代，光电探测器作为一种关键的器件，广泛应用于通信、医疗、安防、航空航天等众多领域。
其灵敏度的高低直接决定了所能检测到的光信号的微弱程度，对于提高系统性能和拓展应用范围具有至关重要的意义。
因此，如何提升新型光电探测器的灵敏度成为了研究的焦点。
要提升光电探测器的灵敏度，首先需要深入理解其工作原理。
光电探测器的基本原理是基于光电效应，当光子入射到探测器材料上时，会激发出电子空穴对，这些载流子在电场的作用下形成电流，从而实现光信号到电信号的转换。
而灵敏度则主要取决于探测器材料对光的吸收能力、载流子的产生和传输效率以及探测器的噪声水平等因素。
在材料选择方面，新型半导体材料的研发为灵敏度的提升带来了新的机遇。
例如，二维材料如石墨烯、二硫化钼等具有独特的光电特性，其极高的载流子迁移率和超薄的结构有利于光的吸收和载流子的传输。
此外，钙钛矿材料因其优异的光电性能和低成本的制备工艺，也成为了研究的热点。
通过优化材料的晶体结构、能带结构和掺杂浓度等，可以显著提高材料对光的吸收效率和载流子的产生效率，从而提升探测器的灵敏度。
探测器的结构设计也是提高灵敏度的关键。
常见的结构包括PIN 结构、雪崩二极管结构等。
PIN 结构通过在本征层中增加光吸收长度，提高了光生载流子的数量；而雪崩二极管结构则利用雪崩倍增效应，使载流子在强电场下获得足够的能量发生碰撞电离，从而产生大量的二次载流子，实现信号的放大。
此外，还有一些新颖的结构设计，如纳米线阵列结构、异质结结构等。
纳米线阵列结构可以增加光的捕获能力和载流子的传输通道，提高探测器的响应度；异质结结构则能够有效地分离光生载流子，减少复合，进而提高探测器的性能。
降低探测器的噪声也是提升灵敏度的重要途径。
噪声主要来源于热噪声、散粒噪声和 1/f 噪声等。
通过优化探测器的工作温度、减小电阻和电容、采用低噪声放大器等措施，可以有效地降低噪声水平，提高探测器的信噪比。
大家下午好：今天我们小组将为大家介绍一种新物质，石墨烯。
石墨烯——近来新兴的热门材料。
首先，让我们初步认识一下石墨烯。
石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。
人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。
当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
大家是否知道石墨与石墨烯的差别呢？石墨在我们生活中是非常常见的，就像我们平常生活中用的铅笔中就有。
但是石墨烯绝对不是简单的石墨，它具有很有优良的，截然不同的性质。
首先，石墨烯的发现具有跨时代的意义。
石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫发现他们能用一种非常简单的方法即胶带剥离法，得到越来越薄的石墨薄片。
他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。
不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了那么，这种物质如何制备呢？石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。
机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法；化学方法是化学还原法与化学解理法。
1.取向附生法—晶膜生长取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在 1 1 50 ℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。
石墨烯光学性质及其应用研究进展一、本文概述石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，自2004年被科学家首次成功剥离以来，便以其独特的物理和化学性质引起了全球范围内的广泛关注。
特别是其光学性质，如强烈的光吸收、独特的电子结构和可调谐的光学响应等，使得石墨烯在光电子器件、太阳能电池、光电探测器、传感器等领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在综述近年来石墨烯光学性质的研究进展，并探讨其在各领域的应用前景。
我们将简要介绍石墨烯的基本结构和光学性质；然后，我们将重点综述石墨烯在光学领域的应用研究，包括但不限于光电子器件、太阳能电池、光电探测器等；我们将展望石墨烯光学性质的研究趋势和应用前景，以期为该领域的发展提供参考和启示。
二、石墨烯的光学性质石墨烯，作为一种二维的碳纳米材料，自其被发现以来，就因其独特的物理和化学性质而备受关注。
其中，石墨烯的光学性质尤为引人注目，为其在光电子器件、光电探测器、太阳能电池等领域的应用提供了广阔的前景。
石墨烯具有极高的光学透明度，单层石墨烯在可见光至红外波段内，透光率高达7%，这使得石墨烯成为透明电极的理想材料。
石墨烯还具有优异的导电性，其载流子迁移率极高，可在高速光电器件中发挥巨大作用。
石墨烯的特殊光学性质还表现在其独特的光与物质相互作用上。
由于石墨烯中的电子在强光场下可以被激发形成等离激元，这使得石墨烯在光调制、光探测等方面展现出独特的优势。
通过调控石墨烯中的等离激元，可以实现光的高效吸收和调制，为光电子器件的小型化和集成化提供了可能。
近年来，研究者们还发现了石墨烯在非线性光学领域的潜在应用。
石墨烯的非线性光学响应强烈，可以在强光激发下产生显著的非线性效应，如光学双稳态、光学限制等。
这些非线性光学性质使得石墨烯在超快光开关、全光信号处理等领域具有巨大的应用潜力。
石墨烯凭借其独特的光学性质，在光电子领域的应用前景广阔。
未来随着石墨烯制备技术的不断发展和完善，其在光电器件、光电探测器、太阳能电池等领域的应用将会更加深入和广泛。
石墨烯光电探测器第一节纯石墨烯光电探测器2.1.1 石墨烯光电探测的相关原理有关石墨烯光电探测和光电子应用的关键原理已经被报道。
这里包括光伏效应，光的热效应，热辐射效应，光选择效应和等离子体波辅助机制。
（a）（b）（c）（d）图2.1 石墨烯光电探测原理（a）光伏效应；（b）光热电效应；（c）测辐射热效应；（d）辅助的等离子体波机制(引自[27])光伏效应光伏电流来源于由不同掺杂区域连接处内部电场或外置电场所产生的光生电子分离。
石墨烯是半导体，自身会产生了大量的暗电流，不适于外置电路。
内置区域可以用本身的化学掺杂，通过选通脉冲产生静电效应或者通过利用好在石墨烯和金属接触点的功函数差别来引入。
石墨烯通道可为P型或N型。
光电流的方向仅依赖于电场，而非整体的掺杂程度。
因而其可从p-n到n-p，或者从p-p+到p+-p之间转换信号。
光热电效应辅助热载流子输运在石墨烯中扮演重要地位。
由于这种强烈的电子-电子相互作用，光激电子对可以给载流子快速（~10-50fs）加热。
因为光频声子能量（~200meV）在石墨烯中很大，辐射产生的热载流子可以保持在一个温度上。
最终热电子会与晶格之间得到平衡。
光生热电子通过光热电效应（即PTE或塞贝克效应）产生光电压=（-），其中（在V ）是不同掺杂石墨烯区域的热电动力（温差电势率），是不同区域电子温度差。
辐射热效应辐射热效应与由入射光子产热导致的输运电导率变化相关。
一个辐射热计可以通过吸收入射辐射dP，并读出导致的温度变化量dT来测量电磁辐射的强度。
辐射热计的关键常数有电阻=dT/dP，还有热容量，其决定了响应时间=[28]。
石墨烯有很小的体积和很低的态密度，因而得到很低的和一个很高的响应度。
这里不直接产生的光电流，而要求有外置的偏压，不需要引进p-n结。
由入射光引起的电导率变化可归于以下两种机制：⑴由于相关温度改变引起载流子迁移率的改变；⑵对电流有贡献的载流子数目的改变（如PV效应)。
光门效应光门效应是基于GRM载流子浓度n引起的光诱导的改变，因而其电导率=。
第一，电子-空穴对的生成发生在GRM 中，随后其中之一被复合（例如在陷阱电荷中或者附近纳米粒子的分子中）。
第二，电子-空穴对生成发生在GRM附近的纳米粒子中，分子，或者陷阱电荷中。
接着，一种载流子转移到GRM，同时其他的载流子待在微粒，分子或者陷阱中。
通过运用高迁移率的导体和长的响应时间，提高光电导的增益。
同时，长的减慢了运行速度。
因而这类探测器可以被用在低的暂时频带宽度上，例如视频图像电流。
所以合适的评估不仅来自响应度，还有其噪声等效功率（NEP）和特殊的探测能力。
辅助的等离子体波机制Dyakonov和Shur提出了一个光电探测的方案，即通过凭借场效应晶体管（FET）来产生有限直流电压来回应振荡的辐射场。
一个拥有2维电子气体的FET 可以扮演一个等离子体波的腔体（即密度振荡）。
这些等离子体波只受到微弱的阻挡（即在衰减完之前可从源极到达漏极），辐射探测利用了等离子体波在腔体当中的相长干涉，从而引起共振的加强反应。
在[29]中，由于THz辐射激发出的等离子体波是过阻尼的，因而不能运行在共振模式。
漏源极之间的电势差包含了直流的部分，即使进来的场是交流的，即得到了信号整流效果。
这对于THz辐射探测来说非常有用。
整流的出现是因为FET通道中2维的电子气体非线性的响应（在[30]中，包括2维电子气体流体动力学非线性响应）。
2.1.2 纯石墨烯光电探测器石墨烯光电流的产生机理（a）（b）图2.2 （a）上边：双通道的石墨烯探测器（拥有不同掺杂区域）对激光束的探测。
下边：对应上面器件上扫描电流的分布；（b）热载流子（HC）和光伏效应分别产生的光电流与迁移率之间的关系（（a）引自[55]，（b）引自[56]）F．Xia等人采用局部扫描光电流成像的方法，得出金属接触对石墨烯通道的电子结构有显著影响，如图2.2（a）。
这种影响延伸到了接触以外几百纳米的范围，随着栅偏压的改变，石墨烯中的费米能级位置变化。
从而形成PNP或者NPN 的电子分布，并且在PN结处光电流的强度最强。
在[31,32,33]介绍中，Xu X等人从理论和实验上得出在pn结附近或者在单层和双层石墨烯（即SLG和BLG）界面上的光响应都受制于PTE效应。
Dong Sun等人认为连续波激励的作用下，电子和晶格温度相当，电学测量的速度受到限制，这使我们无法分辨光电流是受内建电场还是光热电效应的主导，也无法确定热载流子传输和可能存在的载流子倍增效应对高速器件的影响。
他们通过制作背栅和项栅的双栅石墨烯器件，利用超快激光泵浦探测技术，得出结论：光电流由光激发后热载流子温差电效应与内建电场效应导致的光生电流共同组成，其比例取决于栅电压与PN结处的具体参数。
相较于PV效应，PTE电流在双极p-n结和单极结上会出现电流反转，导致了光电流信号六倍的变化。
即由PV效应与PTE效应产生的光电流相抵制，这可以用来区别两者，如图2.2（b）。
在石墨烯金属界面上的关于光响应的波长和极化的测量可以被用来衡量和控制PTE与PV效应的相对贡献，后者在长波方面效果更加显著。
迄今为止，对于石墨烯中光电流的产生机理有两种理论：（1）由于功函数不同，金属与石墨烯接触产生的内建电场分离光生载流子从而产生了光电流，即PV 效应；（2）由于光的激励，石墨烯载流子变为热载流子，由于温差电效应导致光电流产生，即PTE效应。
金属-石墨烯-金属光电探测器2009年，Xia F N等人制备出了第一个石墨烯光电探测器（G-PD）。
他们采用石墨烯为有源区，以热氧化二氧化硅的硅片为衬底，其在光照下总电流有明显的偏移，说明此器件可用于光探测，且在无外加偏压时有可观的光电流产生，这有效降低了器件暗电流影响。
研究指出G–PD带宽主要受RC时间常数的限制，理论计算得到石墨烯探测器的带宽可高于500 GHz，IQEs占带宽的6-16%。
（a）（b）图2.3 （a）不对称金属的能带轮廓，PC为光电流；（b）拥有Pd-Ti不对称插指电极结构的石墨烯探测器（引自[57]）其中金属-石墨烯-金属光电探测器的光电流受制于由各自金属与石墨烯接触面转移的电荷所生成的场，因此可挑选合适金属来调整，还可通过静电门掺杂来加强。
另外，具有Fe夹层的石墨烯多分子层可实现一个全部基于石墨烯的探测器。
前述中G-PD在两个电极附近均有光照时，由于相同的金属接触产生大小相等方向相反的内电场，从而导致等大反向的光电流，使得总光电流为零。
2010年Thomas Mueller等人提出了改进的不对称插指电极结构的石墨烯探测器(MSM-PD)，如图2.3（a），（b）所示。
其增加了有效的光探测区域，进而增加光探测率，又使无源漏偏压时的净光电流不为零，且实现零偏压/零暗电流运行。
器件在1550 nm波长入射光下得到了6.1 mA/W的探测率，16 GHz的带宽。
（a）（b）图2.4 （a）不同的数据流段中的一个覆盖图；（b）高频测试，显示了器件在高达40GHz 的频率下仍然性能良好，插图是在不同的栅极电压下的光响应率（包括直流与高频交流测试）（引自[57]）在图2.3（b）中，此MGM-PD被放置在光链路中，从而可以实现一个10Gbit 的数据流无差错光学数据传输。
图2.4（a）是不同的数据流段中的一个覆盖图，也表明了在高速数位传输下的数据量。
在一个单独的金属-石墨烯结中，在上至40GHz的调制频率下，有0.5 mA/W的响应率，并无没有衰减，进行全光学测量可得到一个262GHz的本身固有带宽。
纯石墨烯光电探测器优点与不足总的来说，基于石墨烯的光电器件具有几个明显的优势：1）光与石墨烯强烈的相互作用。
与化合物半导体相比较，石墨烯拥有更强烈的带间光学跃迁。
2）宽带宽操作。
石墨烯的光吸收独立于波长，覆盖所有的电讯通信带宽，包括中、远红外。
3）高速运行。
由于石墨烯载流子迁移率室温下高达200000 /V·s，费米能级可迅速的填充。
石墨烯的操作速度限制在皮秒级别（如光载流子的产生和释放），这意味着器件有在500GHz操作的潜能。
4）石墨烯独特的光电性能以及能与CMOS技术兼容。
（a）（b）图2.4（a）单、双层石墨烯对光吸收情况；（b）单层石墨烯与理想狄拉克费米子之间透过滤的差异，内图为不同层数石墨烯透过率（引自[58]）另外，基于石墨烯的光电器件还有两个主要缺点：1）零带隙和短的载流子寿命。
零带隙会给其光电应用带来缺点，例如，当作为光开关时重要的关闭状态，用纯石墨烯作为光电器件活性层时相比传统材料会显著降低开路电压V oc的值。
因此，作为光电及光能量转换应用，必须打开石墨烯的带隙。
在纯的石墨烯中光生载流子寿命太短（ps尺度）,会导致一个低的内量子效率约为6–16%。
2）光电转换效率低。
由于石墨烯是世界上最薄的材料，几乎不吸收光(约2.3 %)，如图2.4（a）所示，绝大部分的光线都穿过了石墨烯而无法产生电能。
2.1.3 几种增强石墨烯光电探测性能的方法石墨烯光电探测器的探测率相比于传统探测器而言还是很小，主要原因在于：(1) 光吸收效率低，单层只有2.3 %的吸收率。
(2) 光生载流子的收集困难。
这就需要新的光吸收复合材料。
增加光吸收的几种方法一种增强光吸收的方法是把光集中到光学微型腔体或平面光子晶体的腔体当中。
Furchi M等人将石墨烯置于F-P谐振腔中，提出了微腔集成的石墨烯探测器，如图2.5（a）所示。
谐振腔应用了分布式布拉格反射体，即四分之一厚的交替材料层，上下高反镜对光的多次反射，进而多次穿过SLG，这使光吸收效率增加到了60 %，得到了2l mA/W的探测效率。
如图，虽然响应率的提升牺牲了光谱带宽，但如果一个低损失的腔体可以在满意的波长区域内得以实现，则设计时波长可以被选择。
（a）（b）图2.5 （a）光电探测器分别在有/无微谐振腔时光电流随波长的响应图，插图为微谐振腔；（b）具有波导管的石墨烯探测器（引自[59]）另一种方法牵涉到石墨烯与光学波导管的平面集成。
Kinam Kim等人从理论上提出了波导集成的石墨烯探测器，利用消逝波耦合，将器件设计为侧入射方式，从而提高石墨烯的光吸收效率，如图2.5（b）。
20GHz以上带宽和12Gbit数据处理都已被验证，显示出了其在数据高速传输方面的潜力。
报告中的响应频率在0.05-0.13A 范围内，这与先进的GeSn[60]制的光电探测器持平。
其是在长波波段（L和U）能与Si光电探测器兼容的最理想候选材料之一。
（a）（b）图2.6（a）带有等离子激元触角的SLG示意图；（b）探测红外光的石墨烯纳米带（（a）引自[61]，（b）引自[62]）第三个提升光响应率的方法是表面等离激元激发导致的场的增强。
