基于插层掺杂纳米图案化多层石墨烯的等离激元增强可调谐光谱选择性近红外与短波红外光电探测器

我们展示了一种基于FeCl$_3$插层纳米图案化多层石墨烯(NPMLG-FeCl$_3$)的光谱选择性近红外(NIR)与短波红外(SWIR)光电探测器的概念验证，其可实现石墨烯的大调制p型掺杂。NPMLG-FeCl$_3$中石墨烯片上的局域表面等离激元(LSPs)允许在NIR与SWIR波段从$\lambda =1.3$ $\mu$m到3 $\mu$m对光电探测进行静电调谐，这超出了纳米图案化单层石墨烯(NPG)的范围。最重要的是，LSPs与光学腔一起将吸收率从$N$层石墨烯-FeCl$_3$(无图案化)的约$N\times 2.6$\%提高到NPMLG-FeCl$_3$的近100\%，且强吸收仅局域发生于石墨烯片内部。我们的NIR与SWIR探测方案依赖于多层石墨烯(MLG)片非对称图案化诱导的光热电效应。纳米图案化侧的LSPs产生热载流子，从而在室温下实现塞贝克光电探测，响应度达$R=6.15\times 10^3$ V/W，探测度达$D^*=2.3\times 10^{9}$ Jones，以及约100 ns量级的超快响应时间。我们的理论结果为基于石墨烯的光电探测、光学红外通信、红外彩色显示以及NIR、SWIR、中波红外(MWIR)与长波红外(LWIR)波段的红外光谱学铺平了道路。