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图1 石墨烯-硅异质结器件双极性电阻效应
1. 导读
近日，东南大学量子材料与信息器件教育部重点实验室研究团队利用石墨烯/硅异质结器件的双极性电阻效应实现了空间依赖的多值电阻调控；工作波长覆盖可见至近红外波段（1.55 μm）响应带宽可达10 kHz，空间电阻灵敏度可在表面工程调控下超1000 Ω/mm。这项工作为新型光电位器、多用途光开关等光电应用提供了一种新的途径。2. 研究背景
外场调控电阻器件在传感器、信息存储和计算等领域存在重要应用。迄今为止，通过不同刺激策略和物理机制如低温超导效应，弱磁场巨磁阻效应，忆阻效应，以及相变材料中高低阻态的可逆变化，多种材料和器件已证明具有实现两个或多个稳定电阻状态的能力。然而开发和研制低功耗、高灵敏、高稳定性和新机理原型器件仍面临挑战。近年来，石墨烯等新型二维材料衍生出来的新奇的物理效应为后摩尔时代构筑新型的低功耗元器件提供了更多的可能性，极大地拓宽了二维材料的科学研究和应用前景。基于空间可调制的光生载流子浓度分布和横向扩散可产生横向光电效应和双极电阻效应，前者应用于位置敏感探测器中并引起了广泛关注，而后者可以调控MOS结构、CIGS异质结等结构的横向电阻，但其响应波段，速度和功耗面临一定的限制，且器件内部机理也需要进一步研究。3. 创新研究
利用石墨烯/Si异质结构筑了具有双极电阻效应的光控阻变器件，器件在5 mm范围内表现出空间依赖的、稳定的多值电阻调控。在线性调制区，10 μW弱光调制的器件电阻灵敏度~240 Ω/mm。得益于石墨烯和Si的协同吸收，该器件在可见光至近红外（1.55 μm）的宽波段范围内均表现出了稳定的电阻调控。![]()
图2 器件在不同位置电阻线性及宽波段响应 (a) 石墨烯-硅异质结器件示意图(b) 633 nm激光在不同位置照射器件的电流 (c) 异质结能带图 (d) ±4 mV时器件电阻与激光光斑位置的关系（激光633 nm，10 μW）（e）在633 nm、980 nm、1200 nm和1550 nm不同激光波长下电阻的位置依赖性
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图3 偏置电压下的位置依赖特性和器件的高频特性 (a) ±0.6 mV下器件电阻与激光位置的关系 (b) 不同功率下器件电阻与激光位置的依赖关系 (c) 阈值偏压作为激光功率的函数 (d)器件的瞬态63μs (e)黑暗环境下对交流电压信号的高频响应特性 (f)光照射下的高频响应特性
考虑器件中载流子的产生、分离、复合以及外电场的影响，本工作还对器件载流子动力学进行了建模分析，确定器件中载流子漂移和扩散的协同作用，并在实验上证实了模型的准确性。当载流子漂移和扩散完全抵消时，器件会出现电阻极值点在亚毫米范围内可实5个数量级的电阻突变。这一特性有利于其在快速光开关领域的应用。器件展示了高达10 kHz快速、可靠的开关性能，证明了其良好的应用潜力。为进一步提高器件空间电阻灵敏度，本工作对器件进行了表面改性。通过引入载流子散射中心调制了载流子的输运过程，大大提升了器件空间电阻灵敏度，在可见光和1.55 μm工作波长下器件空间电阻灵敏度均超1000 Ω/mm。![]()
图4 等离子体处理提高器件性能 (a)不同处理时间下石墨烯的拉曼光谱 (b) I(D)/I(G)比值随处理时间变化 (c) 633 nm激光辐照下等离子体处理后器件电阻的位置依赖性 (d) 1550 nm激光下电阻灵敏度提高了约11倍
4. 应用与展望
本工作实现了基于石墨烯/Si异质结的具有可见至近红外响应的光致阻变器件，并运用载流子动力学理论模型对双极电阻效应的有趣特性提供了新的机理解释。这种高速率、高灵敏、广带宽、低功耗的空间调制光致变阻器为光电位器、光开关及多功能光电器件等应用提供了新的技术路径。该研究成果以“Fast
and Broadband Spatial-Photoresistance Modulation in Graphene-Silicon
Heterojunctions”为题在线发表在Nanophotonics。东南大学材料科学与工程学院博士生杜如霞和物理学院副研究员王文辉为论文的共同第一作者，倪振华教授和陶立教授为共同通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金（92164102、62204037）、江苏省重点研发计划（BE2023009-03）和江苏省自然科学基金（BK20220817）等项目的支持。
