多功能設備對于在同一平臺上進行集成和小型化非常重要，但是簡單地功能增加會導致設備過大。在這里，光探測和化學傳感裝置是基于二維（2D）玻璃態石墨烯開發的，滿足兩種功能的類似性能要求。與本征石墨烯相比，扭曲的晶格結構產生的適當帶隙使玻璃態石墨烯具有相當甚至更優異的光電探測和化學傳感性能。由于玻璃態石墨烯和周圍孔氣之間較強的相互作用，這種器件對光致脫附的敏感性低于石墨烯器件。因此，幾層玻璃態石墨烯器件呈現正的光響應，在405nm的激光照射下,器件的響應率為0.22AW
-1,探測率為~10
10 Jones.此外，玻璃態石墨烯中的固有缺陷和應變可以增強分析物的吸附，從而獲得良好的化學傳感性能。具體而言, 玻璃態石墨烯器件探測丙酮的信噪比為48,比石墨烯器件提高50%以上。此外,對偏壓和厚度有關的揮發性有機化合物(VOC)感測功能的分析表明, 少層玻璃態石墨烯更為敏感。這項研究成功地證明了玻璃態石墨烯在集成光電探測和化學傳感方面的潛力，為以后的多功能應用提供了一個有希望的解決方案。
圖1.玻璃態石墨烯的材料表征結果和器件陣列圖片。在通道邊緣獲得的(a) 0.9-nm, (b) 1.5-nm和(c) 2-nm玻璃態石墨烯薄膜表面形態的AFM圖像。比例尺為1µm。插圖是與薄膜厚度相對應的高度輪廓。 (d)2-nm玻璃態石墨烯的CS-AFM圖像，在與圖(c)相同的區域進行掃描，并根據空間電流圖確定。比例尺為1µm，顏色條表示電流從藍色增加到粉紅色。(e)幾層玻璃態石墨烯的HR-TEM圖像。比例尺為5納米。(f)石英上0.9-nm玻璃態石墨烯器件陣列的數碼照片，顯示出良好的透明度。比例尺為2 mm。
圖2. 與單層石墨烯光電探測器相比，幾層玻璃態石墨烯光電探測器的光響應性能結果。(a)照明下玻璃態石墨烯光電探測器的示意圖。(b)玻璃態石墨烯光電探測器在黑暗和405nm光照下的
I-V特性曲線，功率密度為1.23 mW cm
-2。(c)玻璃態石墨烯光電探測器(1.5 nm)在功率密度為1.23 mW cm
-2，405nm的激光照射下的激光開關光響應動力學。施加的恒定電壓為1V。(d)在405nm，功率密度為27.4 mW cm
-2的光照下單層石墨烯光電探測器的光響應動力學。施加的恒定電壓為1V。
圖3.可見光-近紅外附加照明下的光響應特性、功率依賴光響應性能和玻璃態石墨烯光電探測器的能帶結構。(a)玻璃態石墨烯光電探測器(1.5 nm)分別在450、520、635和780 nm光照下的周期性瞬態光響應。施加的恒定電壓為1V。(b)另一組1.5 nm玻璃態石墨烯光電探測器在808和980 nm激光照射下的光響應動力學。施加的恒定電壓為1V。(c) 在1 V偏置電壓、405 nm激光照明、不同照明功率密度下，玻璃態石墨烯光電探測器(5.4 nm)的功率依賴性瞬態光響應。(d)由功率函數擬合的光電流與功率密度。(e)響應度和探測率與功率密度的關系。(f)玻璃態石墨烯光電探測器在偏置電壓下(上圖)和光照下(下圖)的能帶結構。
圖4.玻璃態石墨烯器件的液態丙酮傳感特性和玻璃態石墨烯/石英的靜滴測量結果。在(a)V
bias= 0.5 V和(b)不同V
bias時，0.9-nm FGD的動態檢測響應。(a)中的插圖顯示了用于傳感的玻璃態石墨烯器件結構示意圖。(c) 2-nm FGD和(d) 25-nm MGD的動態檢測響應。(e) 30µL丙酮分別在0.9 nm和25 nm玻璃態石墨烯/石英表面的接觸角隨時間的變化。(f) 0.9-nm和(g) 25-nm玻璃態石墨烯在石英上丙酮接觸角的延時圖像序列。(a)、(c)和(d)中的紅色箭頭表示通道與丙酮液滴接觸的時間點。
圖5. 能帶結構和傳感性能比較結果。(a)FGD和(b)MGD的對齊能帶結構示意圖。分子模型表示丙酮分子。黑色、白色和紅色的球分別代表碳原子、氫原子和氧原子。感測(c)IPA和(d)甲醇時2-nm FGD的動態檢測響應。箭頭表示玻璃態石墨烯通道與分析物接觸的時間。器件檢測不同VOC液體時(e)電流變化率和(f)信噪比(SNR)隨厚度的變化趨勢及其電導率。(g)FGD和石墨烯器件之間的電流變化率比較。（h） FGD和石墨烯器件之間的壓敏SNR比較。所需的最低SNR為3。
相關研究成果由倫敦大學學院電子與電氣工程系、電子科技大學基礎與前沿科學研究院Xiao Li等人于2021年發表在SCIENCE CHINA Materials (https://doi.org/10.1007/s40843-020-1601-9)上。原文：Multifunctional two-dimensional glassy graphene devices for vis-NIR photodetection and volatile organic compound sensing。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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