非平衡态的热电子具有高的能量和动量，超快的速度，高的活性等特点，因此在高速器件，光电探测，能量转换等方面都有巨大的的应用前景。然而，由于其快速的冷却过程和较短的寿命，目前对热电子的利用效率较低。此外，热电子的相关物理机制也有待进一步研究。

    近日，南京大学电子科学与工程学院王肖沐课题组和浙江大学微电子学院徐杨课题组合作，利用纳米天线阵列产生的表面等离激元振荡将石墨烯内的本征热电子进一步加热形成温度远高于晶格和平衡态冷电子的“超热电子”。这一”超热电子“可以实现对光电效应里的波长阈值的打破，即可以实现对远低于由能量势垒决定的阈值频率的电磁波的吸收和利用。研究表明，利用这一“超热电子”所制备的基于石墨烯/氮化硼/石墨烯的范德华垂直异质结构的器件，可以实现在高势垒（约3.5eV）下对近红外光（1550nm，0.8eV）的探测和收集。同时，这一高势垒的隧穿结构有效地抑制了暗电流噪声。此外，该研究还首次在实验上看到了这一异质结构中的负微分光响应，这一奇特的现象是由热发射过程\热电子冷却过程和隧穿过程三者间复杂的竞争关系导致的。相关成果以Plasmon Excited Ultrahot Carriers and Negative Differential Photoresponse in a Vertical Graphene van der Waals Heterostructure为题发表在Nano Letters上。

    由于其独特的狄拉克能带结构，石墨烯具有强的电子-电子相互作用和较弱的电子-声子耦合作用。在光激发下，光生载流子热弛豫后会形成一非平衡态的电子分布，其电子温度高于晶格温度，称之为热电子。该分布的高能端的电子有远高于原入射光的能量，因此利用这一热电子效应可以实现对能量稍低于势垒的光的收集。然而由于石墨烯对光的吸收较低（~2.3%），热电子温度很难实现明显的提高，这就导致了低的热电子利用效率，并且这一利用效率随着入射光波长的增大迅速衰减。该研究中，通过表面等离激元振荡将石墨烯里的本征热电子进一步加热，实现了对石墨烯吸收极限的突破，大大的提高了热电子温度和能量，从而实现了对远低于能量势垒的长波长光的收集与探测。

    实验研究表明，在修饰上纳米天线后，器件对1550nm波长的光响应有了明显的增强。此外，通过对该纳米天线的FDTD计算和消光谱测试可以看到其共振吸收峰在1550nm附近，这就验证了超热电子的产生机制的确来源于纳米天线结构的等离激元振荡。

    该研究还发现，在光电流-偏压的曲线中，会出现一个奇特的微分负光电阻现象。这一现象出现在热发射和隧穿发射的过渡区。 通过对这一现象的实验研究和理论计算，作者得出这一负光阻的产生是超热电子冷却过程同热发射过程、隧穿过程的复杂竞争关系导致的，并且与热电子温度、石墨烯掺杂浓度密切相关，因此可以通过栅压和入射光功率进行调制。

    这项研究工作不仅提出一种探测低能量长波长光子、增强探测器光响应、以及抑制暗电流噪声的方法。同时，提出的这一由表面等离激元激发的超热电子为非平衡态热电子的产生、收集和控制提供了新的思路。

    南京大学王肖沐教授、浙江大学徐杨教授和香港中文大学邵磊教授为本文的共同通讯。该项目是浙江大学博士研究生李泠霏（第一作者）和刘威（第二作者）在南京大学王肖沐教授课题组联合培养期间完成的。香港中文大学邵磊教授在理论计算部分提供了很大帮助。南京大学施毅教授、缪峰教授、余林蔚教授、王军转副教授在本项目中也给予了极大的支持和帮助。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、和浙江自然科学基金、中国科学院战略研究计划的支持。特别感谢浙大微纳加工平台和硅材料国家重点实验室的支持。

论文链接：https://pubsdc3.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00908