高性能，超寬譜光電探測器在生物成像、光通信、導彈制導、遙感等諸多光電子系統中起著重要的作用。然而，由於太赫茲和微波區域的光子能量過低，無法激發傳統半導體(如硅)中的電荷躍遷，因此，利用單一器件很難實現由紫外到微波波段的超寬譜光電探測。
光熱電效應 (也稱為塞貝克效應)，通過光誘導溫度變化從而引起的熱電轉換，與探測波長無關。從理論上講，光熱電探測器（PTE PDs）能夠實現紫外-微波波段的超寬光譜探測。各種新型納米材料已被用於PTE PDs，包括納米線和二維材料。作為一個典型代表的二維材料—石墨烯顯示出非凡的光學性能和電學性能。然而，受其固有屬性的影響，包括比面積小和光吸收率低(單層2.3%)，在室溫條件下，單層或多層石墨烯在紫外-太赫茲範圍內展示出較低的光響應。
近日，天津大學姚建銓院士、張雅婷副教授、李依凡博士課題組利用三維泡沫石墨烯製備了非對稱電極型光電器件：Au/三維石墨烯泡沫/ Ti，實現了紫外-太赫茲-微波超寬光譜探測。通過非對稱電極的設計，增強了光熱電系統的光電轉換能力，為高性能，超寬譜探測器的研製提供了新的途徑。相關研究成果發表在Photonics Research 2020年第3期上。
較低的響應度是制約石墨烯光電探測器廣泛應用的關鍵因素。為解決此難點，團隊利用水熱還原法制備的三維石墨烯泡沫，設計了Au/三維石墨烯泡沫/ Ti非對稱型結構器件。通過基本的材料表徵手段結果顯示，三維石墨烯泡沫由蜂窩網狀的石墨烯片構成，不僅繼承了單層石墨烯的優點，而且具有更強的光吸收能力、熱性能和長範圍的導電網絡結構。同時，吸收光譜顯示了由400 nm至1 mm範圍內的超寬光譜吸收特性。
光電特性實驗顯示，三維泡沫石墨烯器件在405 nm至 1.36 mm波長範圍內的多波段激光輻照下展示出穩定且可重複的光開關特性，隨著輻照光波長的增加，光響應度降低。不同偏壓下的光響應結果顯示，在寬光譜範圍內，增加器件兩端的偏壓，能夠提高器件響應度。此外，該器件表現出最高為103 A·W−1的高光響應度，43 ms的短響應時間和80Hz的-3db帶寬。
在此基礎上，利用光熱電理論模型以及變溫實驗充分討論了該器件的光熱電效應機制，定量地分析非對稱型電極光電器件的響應度比對稱型電極器件高出89%。
三維石墨烯是未來製備高性能，超寬譜光電探測器的理想材料之一。該研究實現了高性能，寬光譜光熱電探測器的製備，為未來在室溫下工作的超寬帶、高靈敏度新型光電探測器研究提供理論基礎和技術支撐。
該工作近期以“Ultraviolet-to-microwave room-temperature photodetectors based on three-dimensional graphene foams”為題發表在期刊Photonics Research（DOI: 10.1364/PRJ.380249）上，文章第一作者為博士研究生李依凡，通訊作者為張雅婷副教授，共同通訊作者為盛泉副教授，嚴峰教授，姚建銓教授。
相關工作得到國家自然科學基金（61675147, 61605141, 61735010, 91838301）國家重點研發項目（2017YFA0700202）和深圳市基礎研究項目（JCYJ20170412154447469）等項目的資助。
圖1 三維石墨烯材料性能表徵
圖2 三維石墨烯器件在532 nm激光輻照下的光電特性
圖3 三維石墨烯器件超寬光譜響應特性
圖4 三維石墨烯器件非對稱電極優勢
圖5 三維石墨烯器件光熱電機理論證
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