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石墨烯光电探测器基于石墨烯材料超高的载流子迁移率、零带隙狄拉克色散关系可以实现快速的宽光谱响应[1]。然而石墨烯的超短光生载流子寿命（皮秒量级）和低光吸收率（单层石墨烯的吸光率只有2.3%）严重影响了石墨烯光电探测器的光生电流生成效率和光响应度[2]。同时，传统的石墨烯制备工艺都是基于化学气相沉积[3-4]、机械剥离[5]、氧化还原[6]等方法，这些方法存在工艺步骤复杂、价格昂贵或不可控等缺点。近年来，激光诱导石墨烯（Laser Induced Graphene, LIG）[7]作为一种一步制备石墨烯的方法受到很多研究者的关注，通过激光作用在聚酰亚胺（Polyimide, PI）等一类含有芳香环的材料上直接生成多孔石墨烯，无需掩膜和预处理，可以高效在各种衬底上制备生物传感器[8-9]、超级电容器[10-11]和储能器件等[12-13]。采用这种方法制备的石墨烯区别于传统的二维材料，具有一定的厚度且分布多孔结构[14]，克服了单层石墨烯的弱吸光性，已经有一部分研究者将激光诱导石墨烯用于光电探测器的制备，然而器件响应度普遍较低[15-17]。杂原子掺杂可以增强石墨烯中电荷储存和转移[11]，有助于减少光生电子空穴对的复合并增强光电流。对于石墨烯来说，杂原子掺杂操作简单且相对可控，在掺杂剂的选择上，氮原子作为常见且容易获得的碳材料掺杂剂，与碳原子直径大小相近，能大幅度地减少对石墨烯本身结构的破坏，并与碳原子形成稳定的共价键[18]。目前将氮原子掺入石墨烯需要经过多步化学反应过程和高温高压条件，因此发展一种便捷、高效、简易的制备氮掺杂石墨烯的方法至关重要。
针对以上问题，笔者团队提出一种基于激光刻蚀法制备的多孔石墨烯光电探测器，制备工艺简单，通过一步激光刻蚀的方法在PI上制备具有一定厚度的石墨烯，可以增加光吸收率；同时使用激光原位掺杂氮的方法对石墨烯的电荷输运特性进行调控，可以增加器件中光生载流子浓度，进一步提升石墨烯光电探测器件的光响应。
文中使用连续波CO2激光诱导生成原位氮掺杂的多孔石墨烯，制备出响应度增强的掺氮石墨烯光电探测器，通过对掺杂的样品进行元素结构测试和表征，证明了激光诱导掺杂的可行性。测试了不同掺杂比例的石墨烯探测器在可见光波段的光响应。结果表明随着掺杂浓度的升高，器件光电响应度随之增加，在掺杂比例为5 wt%时，相比未掺杂的LIG探测器响应度提升了5倍。此外还对器件在紫外（343 nm）和红外（1 550 nm）波段的光响应特性进行测试表征，结果表明经过掺杂的LIG器件可以实现从可见到红外波段的宽光谱探测。
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以3,3′,4,4′-二苯酮四酸二酐(BTDA，购于上海迈瑞尔生化科技有限公司)和 4,4′-二氨基二苯醚(ODA，购于上海迈瑞尔生化科技有限公司)为单体原料，N,N-二甲基乙酰胺(DMAc，购于上海易恩化学技术有限公司)为反应溶剂，三聚氰胺（C3H6N6，购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司）作为掺杂剂。
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激光诱导氮掺杂石墨烯的制备过程如图1所示。首先将三聚氰胺（Melamine）作为掺杂氮源加入到聚酰胺酸（Poly (amic acid), PAA）溶液中充分搅拌，将含三聚氰胺的PAA混合溶液（M-PAA）悬涂在硅衬底上，经过阶梯加热的亚胺化过程得到含三聚氰胺的聚酰亚胺（M-PI）膜。再由激光器标刻出器件的图案，激光标刻过程的瞬时高温可以使PI和三聚氰胺分解，使N原子掺入到重组形成的石墨烯晶格中，形成激光诱导氮掺杂石墨烯（N-LIG）。最后将器件接入电路方便后续的电学测试。PI/M-PI和LIG/N-LIG详细制备过程如下：
图 1 激光诱导氮掺杂石墨烯的工艺制备过程
Figure 1. Preparation processing of laser induced nitrogen-doped graphene
1） PI和M-PI的制备
首先，将2 g ODA单体加入到30 mL的DMAc溶液中，充分搅拌至溶解，得到透明的混合溶液，然后将3.282 8 g的BTDA单体分4次加入上述溶液中并不断搅拌，每次加入的时间间隔为30 min，最后一次加入BTDA单体后，将混合溶液不停搅拌4 h，最后得到均匀粘稠呈淡黄色的PAA溶液。
将质量分数为1 wt%，3 wt%和5 wt%的三聚氰胺粉末分别加入到5 mL的PAA溶液中，将混合物充分搅拌10 min后得到M-PAA溶液。将PAA溶液和不同掺杂比例的M-PAA溶液悬涂到硅片表面，置于加热板上通过梯度升温进行热亚胺化，具体的升温过程为：60 ℃保温8 h、然后依次升温至80 ℃保温1 h、120 ℃保温1 h、180 ℃保温30 min、230 ℃保温10 min，待自然降温冷却后得到PI薄膜和M-PI薄膜。
2） LIG和N-LIG的制备
采用一台波长为10.6 µm的连续波CO2激光器对PI和M-PI薄膜进行加工，标刻的图案通过计算机软件设计成蛇形回转的样式，图形的长度为10 mm，宽度约为700 µm，激光扫描线间距为100 µm，扫描次数为6次，激光光斑直径约为180 µm，激光功率设置固定值为6 W，扫描速度为300 mm·s−1。激光加工的过程在大气环境中进行。
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样品表面的微结构通过扫描电子显微镜（Scan-ning Electron Microscope, SEM, TESCAN MIRA LMS）进行表征，并使用SEM配套的能谱仪（Energy Disper-sion Spectroscopy, EDS, Xplore 30）对样品化学成分进行表征分析。共聚显微拉曼光谱仪使用532 nm波长的激光作为激发光源，测试范围为1000~3000 cm−1。使用激发源为Al $ {\mathrm{{\rm K}}}{\alpha } $射线（1486.6 eV）的X射线光电子能谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS, Ther-mo Scientific Kα）用于表征样品的化学成分。
测试器件光电响应的光源如下：紫外波段采用343 nm激光光源，光斑大小为5 mm；可见光采用630 nm红光LED；红外波段采用1550 nm激光光源，光斑直径为3 mm。样品的电阻值和伏安特性曲线使用数字源表（Keithley SMU 2450）进行测试。
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使用SEM对LIG和N-LIG的表面微观形貌进行观察，图2显示了LIG不同掺杂程度的N-LIG表面形貌图。可以看到LIG和N-LIG都呈现三维的多孔结构，LIG表面的大孔直径约20 µm，N-LIG的孔径相比LIG较小，平均为10~15 µm。N-LIG表面的大孔周围出现大量细密的丝状结构，随着掺杂浓度的升高，丝状物增多，同时表面的孔更加密集。在左上角更大倍数下的SEM图像上可以看出LIG的大孔孔壁光滑，如图2（a）所示，在N-LIG的大孔孔壁上出现网状小孔，如图2（b）~（d）所示。由于激光的光热效应，PI产生晶格振动产生高于2500 ℃的瞬时温度，同时打破C-O、C=O和N-C键。在高温的作用下，一部分C原子重组形成石墨烯，另一部分C、O、N等元素结合成CO、CO2、HCN等并以气体的形式释放[7, 19]，这是LIG呈现孔状结构的主要原因。同时N-PI中的三聚氰胺在高温作用下分解，一部分N原子与O等元素结合成气体释放，由此导致了N-LIG的表面形成更多气孔。
图 2 (a) 激光诱导石墨烯和 (b)~(d) 掺杂比例分别为1 wt%、3 wt%、5 wt%的激光诱导氮掺杂石墨烯的扫描电子显微镜表面形貌图
Figure 2. SEM images of (a) LIG and (b)-(d) N-LIG with doping con-centration of 1 wt%, 3 wt% and 5 wt% respectively
使用SEM的元素映射分布（Mapping）和EDS对LIG和N-LIG的元素分布进行表征。结果如图3所示，样品中的主要元素为碳，且分布均匀，各样品中均含有少量的氧元素，在LIG中几乎看不到氮元素的分布，而在掺杂浓度为5 wt%的N-LIG中氮元素的比例达到8.14 wt%，证明氮元素通过激光原位掺杂的方式成功引入LIG。
图 3 (a)、(b) LIG和N-LIG的元素映射分布图；(c)、(d) LIG和N-LIG的能量色散谱及元素比例
Figure 3. (a), (b) The element mapping of LIG and N-LIG; (c), (d) EDS and element ratio of LIG and N-LIG
使用拉曼光谱仪对LIG和N-LIG的晶格结构和缺陷程度进行表征测试。图4分别展示了PI、LIG和掺杂比例分别为15 wt%、35 wt%、5 wt%的N-LIG的拉曼特征谱。可以看出，PI的拉曼谱中没有出现任何特征峰，而LIG和N-LIG的拉曼谱都显示三个特征峰，分别是：在1 340 cm−1处的D峰，这是由于石墨烯本身缺陷和石墨烯片层边缘的不对称碳原子振动导致的；位于1 570 cm−1处的G峰，来源于sp2杂化碳的拉伸振动；在2 685 cm−1处的2D峰是双声子共振二阶拉曼峰，可以用于判定石墨烯的层数[20-21]。从拉曼光谱图中看出，LIG和N-LIG的2D峰的半高宽大于60 cm−1，远大于单层石墨烯2D峰的半高宽（~30 cm−1），证明LIG和N-LIG为堆叠的、有一定厚度的无定形碳[22]。
图 4 (a) PI, LIG和N-LIG的拉曼光谱图；(b) ${I}_{\rm D}/{I}_{\rm G}$和${I}_{2 \rm D}/{I}_{\rm G}$与掺杂浓度的关系
Figure 4. (a) Raman spectra of PI, LIG and N-LIG; (b) ${I}_{\rm D}/{I}_{\rm G}$ and ${I}_{2 \rm D}/{I}_{\rm G}$ of LIG and N-LIG as a function of doping content
拉曼光谱中D和G峰的比值常用于描述石墨材料的缺陷程度，${I}_{\rm D}/{I}_{\rm G}$的值越大表示晶体结构的中缺陷越多。图4（b）中蓝色曲线展示了${I}_{\rm D}/{I}_{\rm G}$与掺杂浓度的关系，随着掺杂浓度增加，${I}_{\rm D}/{I}_{\rm G}$值增加，说明N原子引入增加了材料晶格的缺陷程度。图4（b）中红色曲线为${I}_{2 \rm D}/{I}_{\rm G}$与掺杂浓度的关系，可以看出在不同掺杂浓度下，${I}_{2 \rm D}/{I}_{\rm G}$的值差距不大，均在0.6左右，意味着掺杂N后的石墨烯的层数变化不大。激光作用下的高温使PI裂解，同时掺杂在PI中的三聚氰胺也在高温下分解，其中的碳元素重组形成了石墨烯。重组形成的石墨烯存在各种各样的缺陷，包括空位、晶界和sp3杂化碳等，而三聚氰胺中的氮原子也在高温下掺杂到石墨烯晶格结构中，增加了缺陷程度。
使用XPS对LIG和不同掺杂浓度的N-LIG样品进行分析来确定LIG和N-LIG具体元素组成和化学结构。图5（a）展示了结合能范围在0~800 eV的LIG和不同掺杂浓度的N-LIG样品的XPS能谱全谱图。LIG和N-LIG在~284 eV出现明显的特征峰，为C1s峰，在~533 eV处出现O1s峰，在N-LIG的全谱图中出现~399 eV的N1s峰。对C、N、O三种元素的占比结果如图5（b）所示，可以看到在LIG中的氮元素含量极少，仅为1.92%，而掺杂浓度为5 wt%的N-LIG中的N含量高达6.71%，该结果与EDS的测试结果基本一致，证明N元素被成功掺入LIG，且随着三聚氰胺掺杂比例的增加，LIG中N元素含量增加。而O元素的比例随掺杂浓度增加而减少，这是由于在激光高温作用下三聚氰胺分解的部分产物与O元素结合以气体形式排出，消耗了O元素[11]。
图 5 (a) LIG和N-LIG的XPS全谱图；(b) LIG和N-LIG的C、N、O元素百分比分布图
Figure 5. (a) XPS full spectrum of LIG and N-LIG; (b) Percentage distribution of C, N, and O elements for LIG and N-LIG
为了探究LIG和N-LIG的元素键合构型，对LIG和掺杂比例为5 wt%的N-LIG的C1s和N1s峰进行分峰拟合，用sp2杂化碳峰（284.5 eV）作为参考峰进行校正，结果如图6所示。图6（a）、（b）展示了LIG和N-LIG的C1s精细谱图，可以看到位于284.5 eV的C-C峰为主峰，说明N-LIG和LIG的C元素都主要以sp2杂化方式存在，证明激光诱导材料产生石墨化，这与拉曼测试结果一致；位于285.4 eV的C-O/C-N键，且N-LIG峰占比高于LIG，证明N-LIG中由于氮元素的掺杂出现更多的C-O/C-N键；位于287.8 eV的峰较弱，来源于C=O。图6（c）、（d）展示了高分辨率的N1s谱图，经过对比分析，得到了N元素的键合类型，分别为在398.5 eV的吡啶氮（pyridinic N）、在399.6处的吡咯氮（pyrrolic N）和401.2 eV处的石墨氮（graphitic N）。LIG中的N1s峰整体信号较弱，键合方式以吡咯氮和石墨氮为主，而N-LIG中还显示出较高的吡咯氮和吡啶氮含量，一方面证明N-LIG中的氮元素被成功掺入石墨烯，另一方面也说明N元素的加入增加了原本LIG晶格的缺陷程度，该结果与拉曼光谱测试结果一致。
图 6 (a)、(b) LIG和N-LIG的C1s谱分峰拟合结果；(c)、(d) LIG和N-LIG的N1s谱分峰拟合结果
Figure 6. (a), (b) C1s spectral peak fitting results of LIG and N-LIG; (c), (d) N1s spectral peak fitting results of LIG and N-LIG
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首先对LIG和N-LIG的电学性质进行了测试，图7（a）为不同掺杂比例的N-LIG的电阻值测试结果，可以看出随着掺杂浓度的增加，LIG的阻值减小，这是由于N元素掺杂增加了石墨烯中自由电子的数目，从而增加了材料的导电性。此外，对器件在−5.0~5.0 V偏置电压下的暗电流进行测试，结果如图7（b）所示。在无光照的条件下，流经LIG和各掺杂浓度的N-LIG的电流与电压均呈线性关系，且掺杂浓度越大，直线的斜率越大，这与阻值测试结果一致。电流-电压曲线呈线性关系证明石墨烯与电极之间呈现欧姆接触，该器件为光电导型探测器。
图 7 (a) LIG和不同氮掺杂比例的N-LIG的电阻值；(b) −5.0~5.0 V偏压下LIG和不同氮掺杂比例的N-LIG的暗电流
Figure 7. (a) The resistance of LIG and N-LIG with different doping content; (b) Dark currents of LIG and N-LIG with different doping content at bias voltages from −5.0 to 5.0 V
以630 nm红光LED作为辐照光源，在外接1.0 V的偏置电压下测试氮掺杂浓度对石墨烯光电响应特性的影响。图8展示了开关光循环下各器件的光电流（$ {I}_{ph} $）随时间变化的曲线，开光时，光电流增加后保持稳定；关光后，光电流衰减，器件恢复到初始状态。在重复的开关光测试中，可以看到器件的光电流大小保持稳定，表明该器件具有很好的重复性和稳定性。随着掺杂浓度的增加，光电流增加，在掺杂浓度为5 wt%时，光电流大小为12 µA。相比未掺杂的LIG光电流（1.8 µA），N-LIG增加了5倍。
图 8 630 nm光源辐照下，LIG和各掺杂浓度下的N-LIG的光电流响应曲线
Figure 8. Photocurrent curves of LIG and N-LIG with different doping content under irradiated by a 630 nm light source
光电流的大小与器件的感光面积有直接关系，因此，光电流无法作为衡量器件性能的指标。一般使用光响应度作为光电探测最主要的性能指标，计算公式为：$ R={{I}_{ph}}/{{P}_{L}} $，$ {P}_{L} $为入射光功率，其大小为入射光源的光功率密度与器件感光面积的乘积。通过计算，未掺杂的LIG在630 nm光辐照下的响应度为0.32 mA·W−1，而掺杂浓度为1 wt%、3 wt%、5 wt%的N-LIG光响应大小分别为0.77、1.67、2.17 mA·W−1，证明通过N原子的掺杂可以将器件的光响应度提高一个数量级。由于所制备的器件为光导型器件，其探测机制基于光电导效应，在掺杂了氮原子之后，增加了LIG的缺陷程度，从而可以捕获更多的光生空穴，此时光生电子将在电路中多次循环，增加了器件中的光电流增益。另一个评价光电探测器性能的指标为响应速度，用上升时间（光电流从最大值的10%升高至90%所需时间）和下降时间（光电流从最大值的90%下降到10%所需时间）表示。通过计算得到各掺杂浓度的器件上升时间约为5~11 s，下降时间为13 s左右。
为了探究氮掺杂石墨烯光电探测器在不同的光波长下的光响应，选择紫外光343 nm、可见光630 nm和近红外1 550 nm三个波段的测试光源对掺杂浓度为5 wt%的N-LIG进行测试。开关光下光电流随时间变化曲线如图9所示，器件在三个波段都具有光响应。由于各波段光源的功率密度不同，经计算后得到器件在不同光波段下的响应度如图10所示。可以看出该器件在343 nm波长下的光响应大于可见光630 nm和红外光1 550 nm的光响应。原因是由于短波长的光子具有更高的能量更容易通过带间跃迁产生更多的光生载流子，因此可以产生更大的光电流。另一方面，器件在红外1 550 nm的光响应大于可见光630 nm的光响应，这是由于在红外波长下器件会产生热载流子，增加了器件中的载流子数目，从而具有更高的光响应度。
图 9 N-LIG在343、630、1 550 nm光源辐照开关下的光电流响应曲线
Figure 9. Photocurrent curves of a N-LIG photodetector at illumination wavelength of 343, 630 and 1 550 nm
图 10 N-LIG在343、630、1550 nm光源辐照下的响应度
Figure 10. The responsivity of N-LIG photodetector at illumination wavelength of 343, 630 and 1 550 nm
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文中通过一步激光刻蚀的方法制备氮掺杂的多孔石墨烯，使用SEM、拉曼光谱、XPS等对氮掺杂石墨烯的表面结构和元素构成进行表征，证明了激光原位诱导石墨烯氮掺杂的可行性。其次，设计并制备了激光诱导氮掺杂石墨烯光电探测器，在630 nm光辐照下对不同的掺杂浓度的N-LIG的光电响应进行测试，测试结果表明随着掺杂浓度的升高，光电响应度升高，特别是在掺杂浓度为5 wt%的浓度下，N-LIG光电探测器相比较未掺杂的器件响应度提高了一个数量级。最后测试了N-LIG光电探测器在343 nm和1550 nm波长光下的光响应，结果证明该器件可以实现从紫外到红外的宽光谱响应。此项工作表明，可以通过激光掺杂方法对石墨烯的光电性能进行调控，为实现低成本、高效率制备高性能的宽光谱石墨烯光电探测器提供可行性方案。
Laser-induced nitrogen-doped graphene photodetector for wide spectra
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摘要: 石墨烯作为一种新型半金属材料，具有良好的导电性、光学透明度和机械性能，自发现以来备受研究者关注。特别是石墨烯的零带隙狄拉克色散关系赋予其特殊的光电性质，如宽带光吸收和高载流子迁移率，使得石墨烯基光电探测器具有宽广谱检测和快速响应能力。然而，传统的石墨烯制备方法包括机械剥离法、化学气相沉积法和氧化还原法等存在产量低、设备昂贵、工艺复杂和化学污染等问题。除此之外，单层石墨烯光吸收率和载流子寿命短，严重影响了石墨烯光电探测器的响应度。为了解决上述问题，文中采用一步激光刻蚀法在三聚氰胺-聚酰亚胺复合薄膜上原位诱导生成氮掺杂的多孔石墨烯，制备了光响应增强的石墨烯宽光谱探测器。这种激光直写的制备工艺效率高、成本低、无污染，可快速制备石墨烯光电探测器。经测试，该探测器在630 nm可见光辐照下的光响应度为2.17 mA·W−1，相比未掺杂的激光诱导石墨烯光电探测器的响应度提高了一个数量级。此外，该探测器在343 nm紫外和1 550 nm红外波段都具有光响应能力，响应度分别为3.06、2.63 mA·W−1。该方法为简单、高效、低成本制备高性能石墨烯基光电器件提供了可行性方案。Abstract:
Objective Graphene has been widely and actively used for photodetector due to its unique properties of extremely high mobility and broad optical bandwidth. However, the weak optical absorption of single-layer graphene and short photogenerated carriers' lifetime result in low responsivity of graphene photodetectors. In order to overcome the above problems, doping of heteroatoms is a good option for changing the charge transport properties and manipulating the chemical behavior of the graphene. The nitrogen atom is considered to be an exceptional dopant for carbon material, which has comparable atomic radius to the carbon atom to minimize the disruption of graphene and form strong covalent bond with the carbon atom. However, the traditional methods of doping nitrogen atoms often require complex experimental conditions and long reaction times. Therefore, the development of a convenient, time-saving and efficient strategy for the in-situ preparation of nitrogen-doped graphene has become a critical problem to be solved. Laser induced graphene (LIG) has been demonstrated to be an effective technique for fabricating designed device. On the one hand, the high porosity of LIG overcomes the weak light absorption of single layer graphene. On the other hand, the laser preparation process facilitates selective doping. Therefore, LIG provide a facile method for the fabrication of nitrogen-doped graphene photodetector. Methods A one-step strategy for in-situ fabricating nitrogen-doped porous graphene by laser was demonstrated (Fig.1). The doping contents of melamine in poly (amic acid) (PAA) solution are 0, 1, 3 and 5 wt%, respectively. A continue-wave CO2 laser with an aid of a control software is applied to mark patterns on melamine/polyimide layer. The length and width of pattern are 10 mm and 700 µm, respectively. The laser scribing time is 6 with the adjacent of two scribing lines of 100 µm. The wavelength and spot size of laser beam are 10.6 and ~180 µm, respectively. The laser power is set to 6 W and the scanning speed is 300 mm·s−1. Laser processing is performed under ambient conditions. Scanning Electron Microscopy (SEM) was used to test the surface morphology and structure characteristics of nitrogen-doped LIG (N-LIG) and LIG. The crystal structure and defect degree of LIG and N-LIG were characterized by Raman spectroscopy. Energy Dispersion Spectroscopy (EDS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), were used to characterize the elemental composition of LIG and N-LIG and the specific doping ratio of N element in N-LIG. The wavelength of 343, 630 and 1550 nm light sources were used to test the photoelectric response. Results and Discussions Both LIG and N-LIG show porous structures according to the SEM images (Fig.2). Raman spectra show that LIG and N-LIG have the characteristic structure of graphene, and the lattice defect degree of N-LIG is higher (Fig.4). EDS and XPS measurement results show that the main component of LIG and N-LIG are carbon. There is a small amount of oxygen in LIG and N-LIG. There is almost no nitrogen element in LIG, but the proportion of nitrogen element in N-LIG reaches 8.14 wt%, which proves that nitrogen element is successfully introduced into graphene by laser in-situ doping (Fig.5). The time-dependent photocurrents of LIG and N-LIG with light on/off cycles under illumination of 630 nm show good repeatability and stability (Fig.8). The photocurrent of N-LIG with doping content of 5 wt% is 12 µA, which is 5 times higher than that of LIG (1.8 µA). The N-LIG photodetector shows good responsivity in the range of 343 to 1550 nm (Fig.10). Conclusions In summary, a nitrogen-doped graphene photodetector is prepared by one-step laser direct writing. The photoelectric response of N-LIG with different doping concentrations are tested under 630 nm light illumination. The test results show that the photoelectric response increased with the increase of doping concentration. Especially for the N-LIG at the doping concentration of 5 wt%, the responsivity is an order of magnitude more than LIG photodetector. Finally, the photoresponse of N-LIG photodetector at 343 nm and 1550 nm wavelength are tested. The results show that the device can achieve a wide spectral response from ultraviolet to infrared. This work shows that the photoelectric properties of graphene can be regulated by laser induced doping, which provides a feasible scheme for low-cost and efficient fabrication of high-performance broadband photodetectors. -
Key words:
- laser induced graphene /
- photodetector /
- nitrogen doping /
- wide spectral detection
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图 1 激光诱导氮掺杂石墨烯的工艺制备过程
Figure 1. Preparation processing of laser induced nitrogen-doped graphene
图 2 (a) 激光诱导石墨烯和 (b)~(d) 掺杂比例分别为1 wt%、3 wt%、5 wt%的激光诱导氮掺杂石墨烯的扫描电子显微镜表面形貌图
Figure 2. SEM images of (a) LIG and (b)-(d) N-LIG with doping con-centration of 1 wt%, 3 wt% and 5 wt% respectively
图 3 (a)、(b) LIG和N-LIG的元素映射分布图；(c)、(d) LIG和N-LIG的能量色散谱及元素比例
Figure 3. (a), (b) The element mapping of LIG and N-LIG; (c), (d) EDS and element ratio of LIG and N-LIG
图 4 (a) PI, LIG和N-LIG的拉曼光谱图；(b) ${I}_{\rm D}/{I}_{\rm G}$和${I}_{2 \rm D}/{I}_{\rm G}$与掺杂浓度的关系
Figure 4. (a) Raman spectra of PI, LIG and N-LIG; (b) ${I}_{\rm D}/{I}_{\rm G}$ and ${I}_{2 \rm D}/{I}_{\rm G}$ of LIG and N-LIG as a function of doping content
图 5 (a) LIG和N-LIG的XPS全谱图；(b) LIG和N-LIG的C、N、O元素百分比分布图
Figure 5. (a) XPS full spectrum of LIG and N-LIG; (b) Percentage distribution of C, N, and O elements for LIG and N-LIG
图 6 (a)、(b) LIG和N-LIG的C1s谱分峰拟合结果；(c)、(d) LIG和N-LIG的N1s谱分峰拟合结果
Figure 6. (a), (b) C1s spectral peak fitting results of LIG and N-LIG; (c), (d) N1s spectral peak fitting results of LIG and N-LIG
图 7 (a) LIG和不同氮掺杂比例的N-LIG的电阻值；(b) −5.0~5.0 V偏压下LIG和不同氮掺杂比例的N-LIG的暗电流
Figure 7. (a) The resistance of LIG and N-LIG with different doping content; (b) Dark currents of LIG and N-LIG with different doping content at bias voltages from −5.0 to 5.0 V
图 8 630 nm光源辐照下，LIG和各掺杂浓度下的N-LIG的光电流响应曲线
Figure 8. Photocurrent curves of LIG and N-LIG with different doping content under irradiated by a 630 nm light source
图 9 N-LIG在343、630、1 550 nm光源辐照开关下的光电流响应曲线
Figure 9. Photocurrent curves of a N-LIG photodetector at illumination wavelength of 343, 630 and 1 550 nm
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