基于石墨烯或其它二维材料的光电探测器研究进展
二维材料研究现状及展望（转自科学观察）+评析系列1
⼆维材料研究现状及展望（转⾃科学观察）+评析系列1导语：这是⼀篇⼆维材料的中⽂综述，⾏⽂⽐较客观，相应的英⽂版在Chem. Rev. 2013, 113, 3766。
⼆维材料确实可以作为基础科学研究的平台，特别为凝聚态物理拓展了空间，⽐如不同的堆垛形式，不仅带来了对能带结构拓扑特征的理解，⽽且对界⾯⼒学⾏为起到了推动作⽤。
从应⽤上⽽⾔，⼆维材料不可能取代硅材料，它最终有没有可能与现有的半导体技术进⾏优势互补，也还有⼀个相当长的过渡时期。
⽂末还附带了⼀篇⾼稳定性黒磷的制备，当时是2015年的论⽂，现在回过头来看会更加客观冷静。
原⽂链接：⼆维材料是⼀⼤类材料的统称,指的是在⼀个维度上材料尺⼨减⼩到极限的原⼦层厚度,⽽在其他两个维度,材料尺⼨相对较⼤。
最典型也是最早实验证明的⼆维材料是⽯墨烯。
2004年,K. S. Novoselov等⼈在Science杂志发表⽂章,报道了通过机械剥离的⽅法从⾼取向的裂解⽯墨中获得了⽯墨烯,且证明了其独特优异的电学性质。
⾃此之后,以⽯墨烯为代表的⼆维材料获得了快速的发展,新的⼆维材料如⾬后春笋般涌现。
得益于其原⼦层厚度⽅向上的量⼦局限效应,这些⼆维材料展⽰出与其对应的三维结构截然不同的性质,因此受到了科学界和⼯业界的⼴泛关注。
除⽯墨烯之外,其他的⼆维材料还包括：单元素的硅烯、锗烯、锡烯、硼烯和⿊磷等,过渡⾦属硫族化合物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2、NbSe2等,主族⾦属硫族化合物如GaS、InSe、SnS、SnS2等,以及其他⼆维材料如h-BN、CrI3、NiPS3、Bi2O2Se等。
这些⼆维材料具有完全不同的能带结构以及电学性质,覆盖了从超导体、⾦属、半⾦属、半导体到绝缘体等材料类型。
同时,他们也具有优异的光学、⼒学、热学、磁学等性质。
通过堆垛种类不同的⼆维材料,可以构筑功能性更强的材料体系（博主注：从堆垛的⾓度来考察⼆维材料是最近⼏年的热门⽅向，也是未来⼆维材料可能的⽴⾜点。
石墨烯光电子器件的应用研究进展
石墨烯光电子器件的应用研究进展李绍娟;甘胜;沐浩然;徐庆阳;乔虹;李鹏飞;薛运周;鲍桥梁【摘要】自2004年被发现以来，石墨烯因其卓越的光学和电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，备受学术界和工业界的广泛关注。
作为一种独特的二维原子晶体薄膜材料，石墨烯有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性，使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。
一系列基于石墨烯的新型光电器件先后被研制出，已显示出优异的性能和良好的应用前景。
此外，近期石墨烯表面等离子体激元的发现及太赫兹器件的研究进一步促进了石墨烯基光电器件的蓬勃发展。
综述重点总结近年来石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器以及表面等离子体领域的应用研究进展，并进一步分析目前所面临的主要问题、挑战及其发展趋势。
%Graphene has very significant optical and electronic properties, which attract enormous attention. As a unique two-di-mensional crystal with one atom thickness, it has high electron and thermal conductivities in addition to ? exibility, robustness and impermeability to gases. Its ultra-broad band optical response and excellent non-linear optical properties make it a wonderful material for developing next generation photonic and optoelectronic devices. The fabrication of graphene-based devices is compatible with the existing semiconductor process, which has stimulated lots of graphene-based hybrid silicon-CMOS ( Complementary metal-oxide-semiconductor transistor) applications. Here we review the latest progress in graphene-based photonic and optoelectronic devices, ranging from pulsed lasers, modulators and photodetectors to optical sensors. Other exciting topicssuch as graphene surface plas-mons and their terahertz applications are also discussed.【期刊名称】《新型炭材料》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】28页(P329-356)【关键词】石墨烯;脉冲激光器;光调制器;光探测器;表面等离子体;太赫兹【作者】李绍娟;甘胜;沐浩然;徐庆阳;乔虹;李鹏飞;薛运周;鲍桥梁【作者单位】苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123【正文语种】中文【中图分类】TM9101 前言硅基光电子技术曾被寄希望于能够实现未来的超高速宽带数据通讯，然而，由于硅基器件目前面临着难以进一步微型化、集约化等问题，从而阻碍了其在高速、宽带数据计算和传输领域的应用。
石墨烯复合材料的制备及应用研究进展
石墨烯复合材料的制备及应用研究进展一、本文概述石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，因其独特的电子结构、优异的物理和化学性能，在复合材料领域引起了广泛的关注。
石墨烯复合材料结合了石墨烯和其他材料的优点，使得这种新型复合材料在力学、电学、热学等方面表现出色，因此具有广阔的应用前景。
本文旨在综述石墨烯复合材料的制备方法、性能特点以及在不同领域的应用研究进展，以期为石墨烯复合材料的进一步研究和实际应用提供理论支持和参考。
本文将首先介绍石墨烯及其复合材料的基本概念和特性，然后重点综述石墨烯复合材料的制备方法，包括溶液混合法、原位合成法、熔融共混法等。
接着，文章将探讨石墨烯复合材料在能源、电子、生物医学、航空航天等领域的应用研究进展，分析其在提高材料性能、降低成本、推动相关产业发展等方面的重要作用。
本文还将对石墨烯复合材料未来的研究方向和应用前景进行展望，以期推动这一领域的持续发展和创新。
二、石墨烯复合材料的制备方法石墨烯复合材料的制备方法多种多样，每一种方法都有其独特的优点和适用范围。
以下是几种主要的制备方法：溶液混合法：这是最简单且最常用的方法之一。
首先将石墨烯分散在适当的溶剂中，然后通过搅拌或超声处理使其均匀分散。
接着，将所需的基体材料（如金属氧化物、聚合物等）加入溶液中，通过搅拌或热处理使石墨烯与基体材料充分混合。
通过过滤、干燥等步骤得到石墨烯复合材料。
这种方法操作简便，但石墨烯在溶剂中的分散性和稳定性是关键因素。
原位生长法：这种方法通常在高温或特定气氛下进行，利用石墨烯与基体材料之间的化学反应，使石墨烯在基体材料表面或内部原位生长。
例如，通过化学气相沉积（CVD）或热解等方法，在金属氧化物或聚合物表面生长石墨烯。
这种方法可以得到石墨烯与基体材料结合紧密、性能优异的复合材料，但操作过程较复杂，且需要特殊的设备。
熔融共混法：对于高温稳定的基体材料，如金属或某些聚合物，可以采用熔融共混法制备石墨烯复合材料。
石墨烯材料在光电器件中的应用研究
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。
石墨烯复合材料应用研究进展
石墨烯复合材料应用研究进展一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维晶体材料，自2004年被科学家首次成功分离以来，便以其独特的物理、化学和电子性能，引发了全球范围内的研究热潮。
石墨烯具有出色的电导性、热导性、力学性能和化学稳定性，因此在诸多领域具有广阔的应用前景。
随着科技的进步，石墨烯已不再是单一使用的材料，而是逐渐与其他材料复合，形成石墨烯复合材料，以进一步拓展其应用范围和提升性能。
本文旨在对石墨烯复合材料的应用研究进展进行系统的梳理和总结。
我们将首先概述石墨烯及其复合材料的基本性质，然后分析石墨烯复合材料在能源、环境、生物医学、电子信息等领域的最新研究进展，探讨其实际应用中所面临的挑战和解决方案。
通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个全面而深入的了解石墨烯复合材料应用研究的平台，为未来的科研工作和产业发展提供有益的参考。
二、石墨烯复合材料的制备方法石墨烯复合材料因其独特的物理化学性质，在能源、环境、生物医学等领域展现出广阔的应用前景。
而制备方法的选择和优化对于实现石墨烯复合材料的优良性能和应用潜力至关重要。
目前，石墨烯复合材料的制备方法主要包括溶液混合法、原位生长法、熔融共混法以及气相沉积法等。
溶液混合法是最常见且简单的制备石墨烯复合材料的方法之一。
通过将石墨烯粉末或溶液与基体材料溶液混合，再利用超声、搅拌等手段使其均匀分散，最后通过干燥、热处理等步骤得到复合材料。
这种方法操作简单，但需要注意的是石墨烯在溶液中的分散性和稳定性。
原位生长法是通过在基体材料表面或内部直接生长石墨烯纳米片的方法。
通常利用化学气相沉积（CVD）或热解等方法，在基体材料表面引入碳源，在高温条件下使其分解并生成石墨烯。
这种方法制备的石墨烯与基体材料结合紧密，但制备过程相对复杂，成本较高。
熔融共混法是将石墨烯与熔融状态的基体材料混合，通过剪切力使石墨烯均匀分散在基体材料中。
这种方法适用于高温熔融的聚合物基体材料，制备得到的石墨烯复合材料具有较好的机械性能和热稳定性。
二维材料的研究进展
二维材料的研究进展近年来，二维材料一直是材料科学领域的一个热门话题。
二维材料是指厚度只有数个原子层的材料，由于其独特的物理和化学性质，被认为是下一代电子学、光学和能源应用的基础。
本文将分享最近几年二维材料的研究进展。
1. 二维材料的研究历程石墨烯是二维材料的代表，其发现和研究可以追溯到20世纪60年代。
但是，由于其制备难度较大以及缺乏其他二维材料的研究，其应用受到限制。
近年来，随着石墨烯的制备技术的不断改进以及其他二维材料的发现，对二维材料的研究也得到了快速发展。
2. 二维材料的物理和化学性质与三维材料相比，二维材料具有很多独特的物理和化学性质。
首先，由于其厚度只有数个原子层，二维材料的表面积大大增加，导致了其表面反应性的增强。
其次，由于其成键方式和晶格结构的不同，二维材料也具有不同于三维材料的电学和光学性质。
例如，石墨烯是一种零带隙半导体，而由二硫化钼制成的材料具有较小的带隙，因此可以作为晶体管的电子传输材料。
此外，二维材料还具有很强的机械性能和热导率，这些性质被广泛用于能源和电子器件中。
3. 二维材料在电子学领域的应用二维材料被广泛应用于电子学领域，包括传统的半导体器件和新型低功耗电子器件。
其中最常见的例子就是基于石墨烯的场效应晶体管，其载流子在石墨烯中的高速移动性和高载流子浓度使其被认为是下一代电子器件的有力候选。
此外，由于二维材料具有很好的透明性和可弯曲性，其还可以用于柔性电子器件中。
4. 二维材料在能源领域的应用由于二维材料具有较高的热导率和强电子响应性，其在能源转换和存储领域也具有潜力。
例如，二硫化钼可以作为太阳能电池中的光伏材料，而石墨烯可以作为锂离子电池和超级电容器中的电极材料。
此外，二维材料在催化和化学传感器中也具有广泛的应用。
5. 二维材料的发展趋势未来，二维材料在能源、环境、生物医学和计算机科学等领域的应用将会变得更加广泛。
其中，除了石墨烯外，还有大量的二维材料被发现，并且这些材料具有多样的物理和化学性质。
石墨烯的光电性质研究
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。
二维材料光电性能的研究
二维材料光电性能的研究二维材料是近年来在纳米科技领域备受瞩目的一种材料。
它是由原子或分子在垂直于某个平面方向上排列而形成的材料，具有特殊的物理和化学性质。
其中，光电性能是二维材料最受研究者关注的一个重要方面。
本文将探讨二维材料的光电性能以及相关研究，以深入了解这一激动人心的研究领域。
二维材料的光电性质是其作为光电器件材料的重要基础。
一些二维材料具有特殊的光吸收特性，可以在可见光和红外波段实现高效的光吸收，这使得它们广泛应用于太阳能电池、光电探测器等领域。
例如，石墨烯是一种著名的二维材料，具有优异的光电性能。
石墨烯的光电转换效率高，光吸收率达到了2.3%，几乎是其他材料的两倍。
这使得石墨烯在太阳能电池等领域有着巨大的应用潜力。
除了石墨烯，许多其他二维材料也展现出了优异的光电性能。
例如，过渡金属二硫化物(MoS2)是一种具有带隙的半导体，具有很高的光吸收率。
它的光吸收能力与波长有关，对可见光和紫外线辐射敏感，在光电探测器和光伏器件的应用中显示出潜力。
此外，黑磷和硒化硒等二维材料也显示出杰出的光电特性，这些材料在光电转换领域具有广泛的应用前景。
了解和改变二维材料的光电性能是相关研究的核心内容。
研究者采用多种方法来实现对光电性能的调控。
一种常用的方法是通过外界光照改变材料的光电响应。
通过研究二维材料的吸收光谱、荧光光谱等信息，可以了解材料对光的响应机理，并通过光照对材料的电学性能进行调节。
另外，基于二维材料的异质结构也是实现光电性能调控的一种有效途径。
二维材料可以与其他材料形成异质结构，如二维材料与金属纳米颗粒的复合结构。
这样的复合结构在光电转换器件中具有广泛的应用，可以通过调整二维材料和金属纳米颗粒之间的界面能级，实现对光电性能的调节。
此外，研究者还通过改变二维材料的组分和结构来实现对光电性能的调控。
例如，通过掺杂和合金化，可以改变材料的能带结构，从而实现对光电性能的调节。
同时，对二维材料的缺陷工程也是改变材料光电性能的有效手段。
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基于石墨烯或其它二维材料的光电探测器研究进展石墨烯作为典型的二维材料，具有载流子迁移率高，导热性好，比表面积大，透光度高，杨氏模量和断裂强度高等其他材料所无法匹敌的特点。
石墨烯的出现也带动了对其它如TMDs等二维材料的研究，引发了一场对二维材料研究的热潮。
由于石墨烯及其它二维材料的光电探测器自身特殊的性能和结构，其在高频探测，高响应度，高光吸收效率，高强度，可透明，可弯曲和可高度集成等特殊应用方面拥有极大潜力。
这些探测器又可以与其他建立在同样材料上的光电部分器件整合在一起，例如硅光电技术。
我们将追踪纯石墨烯和量子点石墨烯光电探测器，及基于其它二维材料的光电探测器和衍生器件的最新进展。
关键词：石墨烯；二维材料；光电探测器；量子点；混合系统第一节光电探测器简介1.1.1光电探测器的研究意义近年来，不管是基于光伏还是光导效应的光电器件都在紫外-可见及近红外区域的光学领域中都受到研究者极大的关注而飞速发展。
例如，光化学电池，一种新兴的光伏器件，近来被广泛研究而发展迅速。
同时，光传导、探测器件或者光开关、调制器件都在光电研究及特殊应用领域也得到了极大的促进。
其中，转化光信号、光能量为电流的光探测器是光通信中的二进制开关及成像技术的关键器件，也可用于未来的新型存储器及光电回路中[1-4]。
1.1.2 光电探测器的物理机制基本原理光电探测器的基本原理是将光信号转变成电信号。
光电探测器分为光子探测器和热探测器两类，其中光子探测器包含基于外光电效应和内光电效应两种原理的两类探测类型。
物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化，把这种由光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。
外光电效应，是指物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流。
这种效应多发生于金属和金属氧化物。
内光电效应，是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。
这种效应多发生于半导体内。
内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应等。
其中比较重要的内光电效应：光电导效应是指入射光引起半导体电导率发生变化的效应；光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
热探测器基于光热效应，入射光引起晶格的温度变化导致材料本身的各种性能变化。
性能参数光电探测器重要的性能参数包括：带宽（从紫外到远红外波段，频率选择性），响应度（成熟产品响应度R，比探测率D*），响应速度（光脉冲间隔，响应频率）。
另外还有其他一些性能参数：工作条件，光响应参数，噪声参数，量子效应和线性度。
其中工作条件包括：辐射源的光谱分布，电路的通频带和带宽，工作温度，光敏面尺寸，偏执情况。
噪声参数包括：信噪比，等效噪声输入，噪声等效功率，探测率与比探测率，暗电流。
1.1.3 光电探测器的几种类型传统的光电探测器件：1）基于内光电效应的光电探测器有：①光电导探测器，②光磁电效应探测器，③光生伏特探测器；基于外光电效应有：光电管，光电倍增管，变像管等；2）基于光热效应有：热电偶，热敏电阻，高莱管，热释电探测器等（如下图）。
现在的成熟的光电探测器包含以AlGaN/GaN等日盲探测器为代表的紫外探测器；以CCD、CMOS等技术为基础的可见光探测器；以InSb、HgCdTe、GaAs/AlGaAs等材料为基础的红外探测器。
近几年，基于准一维带状或者片状结构纳米材料的新型光电探测器快速发展，这些材料相比于其它纳米材料具有与众不同的电学及热学传导性能[5-8]。
这些迷人的材料因为其独特的对称性，高的纵横比，超薄的厚度而具有新奇的物理性能[9-11]。
第二节石墨烯简介1.2.1 石墨烯的结构石墨烯是由一层碳原子构成的周期六方点阵蜂窝状二维晶体，其中每个碳原子与其他3个碳原子通过σ键相连接，剩余的1个p电子轨道垂直于石墨烯平面，每个碳原子贡献1个未成键的π原子，与周围的原子形成π键，其中c-c键长约0.142nm。
石墨烯厚度仅为0.35nm，因此石墨烯又被称为单层石墨，如图1.1。
图1.1 石墨烯结构图在石墨烯中, 强大的共价键束缚着1种s轨道和同一平面内的2种p轨道, 没有导电性。
只有剩下的1种奇数的p轨道方向与碳分子平面垂直, 在平面的上或下方倒置出现, 并混杂形成π（价带）和π*（导带），如图1.2。
（a）（b）图1.2 （a）和（b）石墨烯电子能带结构，其中放大图为狄拉克点附近1.2.2 石墨烯的性质2004年，K.S.Novoselov和A.K.Geim用机械剥离法制得了石墨烯。
石墨烯具有其他碳单质无法匹敌的物理性质。
电学性质石墨烯特殊结构导致了其独特的锥形能带结构，导价带关于K点（即狄拉克点）对称，该点附近E-k成线性关系，因此纯石墨烯的电子和空穴具有相同的性质。
零带隙的能带结构，使其显示金属性。
石墨烯中的电子迁移率高（200000 cm2/V·s）。
载流子的费米速度为光速的1/300，电子浓度约为1012-1013cm−2。
光学性质石墨烯的光吸收主要来自两方面贡献，一为带内吸收，一为带间吸收，如图1.3：（a）（b）图1.3 石墨烯的能带跃迁（a）带内跃迁；（b）带间跃迁在远红外（FIR）区域，光响应主要来自于自由载流子带内跃迁；在中红外（MIR）到近红外（NIR），可见光区域，带间跃迁则主导光吸收过程，单层石墨烯有大约2.3%的吸收常数。
通过静电控制调节石墨烯的费米面，引入泡利阻塞，可以改变光致电子跃迁效率，影响光电子相互作用的过程。
其他性质石墨烯室温下导热性好（5000 W/m·K），比表面积大（2630m2/g），它的杨氏模量（1100 GPa）和断裂强度（125GPa）也可与碳纳米管相媲美。
1.2.3 石墨烯的应用由于石墨烯具有的一些独特的性能，如其零带隙、优良的弹道传输，量子霍尔效应等[13-17]，使其在分子电子学，微纳米器件，高频晶体管，超高速计算机芯片，单电子晶体管集成电路，透明触摸屏，太阳能电池，超导材料，氢储存等领域有着广阔的应用前景[18-21]。
另外，石墨烯在光电领域主要有两个方面的应用，一是作为透明电极材料以期取代目前的ITO透明导电玻璃。
单层石墨烯的垂直入射光透过率可以达到97.7 %这使其在透明电极，触摸屏等方面的应用很有吸引力。
二是作为光活性层中的光电子及光-能转化器件，应用于光探测器、光伏电池、光调制等光电设备。
石墨烯因为其二维单原子层材料的特性，本身很容易感受到外界环境改变，这使得其作为高灵敏探测器，有着不同一般的潜力[22-26]。
第二章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T e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V PTE=（S1-S2）∆T e，其中S1,2（在V K−1）是不同掺杂石墨烯区域的热电动力（温差电势率），∆T e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R h=dT/dP，还有热容量C h，其决定了响应时间τ=R h C h[28]。
石墨烯有很小的体积和很低的态密度，因而得到很低的C h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∆σ=∆nqμ，其中μ是迁移率。
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τtr，提高光电导的增益G ph。
同时，长的τtr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D∗。
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。