Ilya Goykhman/University of Cambridge
石墨烯自诞生之日起，就因为禁带的缺失（石墨烯为导体，不存在禁带，半导体的禁带较窄，绝缘体的禁带较宽）而很难应用到数字逻辑器件和电路中，却也因为这一看似缺陷的特性，帮助它吸引了很多研究者来探索其在光电领域的发展潜力。正是因为不存在禁带，石墨烯是一个超宽带能量吸收体，可以用于可见光、红外和太赫兹等多个波段的光学探测。
现在，欧盟委员会（European Commission）总额十亿欧元的十年计划所资助的科研项目——“石墨烯旗舰计划”（Graphene Flagship）——成功地将石墨烯材料和硅基器件集成在一块芯片上，研制出高响应度肖特基势垒光电探测器。这一科研计划，集合了多所大学的科研力量，包括英国剑桥大学，以色列希伯来大学和美国约翰霍普金斯大学。
这个探测器的核心部分是金属和半导体形成的结（junction，金属和半导体界面处形成势垒，具有一定能量的光子可以将电子激发到更高能级，使其越过势垒从而形成光电流）。光电探测器是光电转换的重要组成部分，该项研究成果可以实现更低能耗的信息处理和传输，这一点对于物联网领域尤其关键。
他们的研究成果发表在纳米快报杂志（Nano Letters）上，这些光电探测器对于1.55微米波长的光可以实现0.37A/W（安培每瓦，单位功率光形成的电流）。这样的高响应度可以和目前常用于硅光电电路中的锗硅探测器相比拟。
虽然硅基光电探测器可以进行可见光的探测，但是其在近红外波段探测的不足也非常明显，这是因为近红外波段光子能量较低，无法将电子激发到足够高的能级，半导体材料中的电子能级自高到底分为导带、价带和禁带，大部分电子处于价带，禁带中不允许存在电子，只有少部分位于导带的电子可以移动形成电流。为了形成光电流，光子要将能量传递给价带中的电子，使其跃过禁带进入导带，而近红外光光子能量较低，提高的能量小于禁带宽度。因此，一般需要采用锗和硅的混合材料（锗的禁带宽度较小，和硅混合形成的材料禁带宽度也小于硅），但是这一工艺流程复杂且相对昂贵。新型的石墨烯-硅光电探测器相对来说更加简单和便宜。
“这是一个强有力的证明，证明石墨烯的器件和技术可以和现在的最高技术水平相互竞争，它们更加廉价，结构更加简单，还可以在不同的波段工作”，剑桥大学石墨烯研究中心的Andrea Ferrari教授在新闻稿中提到，“这同时也为石墨烯-硅光子集成的发展铺平了道路。”
从降低能耗的角度来看，Ferrari教授认为这一研究成果是非常重大的突破，“从功耗角度来看，石墨烯技术优于目前的硅光子技术。”
而从物联网中的光通信考虑，来自剑桥大学的Ilya Goykhman在新闻稿中提到：“这项研究仅仅是第一步，在未来两年内，‘石墨烯旗舰计划’将致力于晶圆尺度上石墨烯光电探测器件与硅基电路的集成，以及光电探测产品的研发，使其在物联网领域的应用成为现实。”
未来两年，研究人员将把他们的研究领域从光电探测器扩展到光调制器等方面，从而实现完整的光电转换。
Ferrari教授补充道，“我们已经向世人展示了石墨烯光电探测器的潜力，但是我们还需要石墨烯基的光调制器来组成完整的、低功耗的光通信系统，而‘石墨烯旗舰计划’正在为实现这一目标而努力。”
翻译：刘卓
审稿：赵昌昊
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