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有關(guān)石墨烯光電探測(cè)和光電子應(yīng)用的關(guān)鍵原理已經(jīng)被報(bào)道。這里包括光伏效應(yīng)，光的熱效應(yīng)，熱輻射效應(yīng)，光選擇效應(yīng)和等離子體波輔助機(jī)制。
（a） （b）
（c） （d）
圖2.1 石墨烯光電探測(cè)原理 （a）光伏效應(yīng)；（b）光熱電效應(yīng)；（c）測(cè)輻射熱效應(yīng)；（d）輔助的等離子體波機(jī)制
光伏效應(yīng)
光伏電流來源于由不同摻雜區(qū)域連接處內(nèi)部電場(chǎng)或外置電場(chǎng)所產(chǎn)生的光生電子分離。石墨烯是半導(dǎo)體，自身會(huì)產(chǎn)生了大量的暗電流，不適于外置電路。內(nèi)置區(qū)域可以用本身的化學(xué)摻雜，通過選通脈沖產(chǎn)生靜電效應(yīng)或者通過利用好在石墨烯和金屬接觸點(diǎn)的功函數(shù)差別來引入。石墨烯通道可為P型或N型。光電流的方向僅依賴于電場(chǎng)，而非整體的摻雜程度。因而其可從p-n到n-p，或者從p-p+到p+-p之間轉(zhuǎn)換信號(hào)。
光熱電效應(yīng)
輔助熱載流子輸運(yùn)在石墨烯中扮演重要地位。由于這種強(qiáng)烈的電子-電子相互作用，光激電子對(duì)可以給載流子快速（~10-50fs）加熱。因?yàn)楣忸l聲子能量（~200meV）在石墨烯中很大，輻射產(chǎn)生的熱載流子可以保持在一個(gè)溫度
上。最終熱電子會(huì)與晶格之間得到平衡。
光生熱電子通過光熱電效應(yīng)（即PTE或塞貝克效應(yīng)）產(chǎn)生光電壓
=（
-
）
，其中
（在V 
）是不同摻雜石墨烯區(qū)域的熱電動(dòng)力（溫差電勢(shì)率），是不同區(qū)域電子溫度差。
輻射熱效應(yīng)
輻射熱效應(yīng)與由入射光子產(chǎn)熱導(dǎo)致的輸運(yùn)電導(dǎo)率變化相關(guān)。一個(gè)輻射熱計(jì)可以通過吸收入射輻射dP，并讀出導(dǎo)致的溫度變化量dT來測(cè)量電磁輻射的強(qiáng)度。輻射熱計(jì)的關(guān)鍵常數(shù)有電阻
=dT/dP，還有熱容量
，其決定了響應(yīng)時(shí)間
=
[28]。石墨烯有很小的體積和很低的態(tài)密度，因而得到很低的和一個(gè)很高的響應(yīng)度。這里不直接產(chǎn)生的光電流，而要求有外置的偏壓，不需要引進(jìn)p-n結(jié)。
由入射光引起的電導(dǎo)率變化可歸于以下兩種機(jī)制：⑴由于相關(guān)溫度改變引起載流子遷移率的改變；⑵對(duì)電流有貢獻(xiàn)的載流子數(shù)目的改變（如PV效應(yīng))。
光門效應(yīng)
光門效應(yīng)是基于GRM載流子濃度
n引起的光誘導(dǎo)的改變，因而其電導(dǎo)率
=
。第一，電子-空穴對(duì)的生成發(fā)生在GRM中，隨后其中之一被復(fù)合（例如在陷阱電荷中或者附近納米粒子的分子中）。第二，電子-空穴對(duì)生成發(fā)生在GRM附近的納米粒子中，分子，或者陷阱電荷中。接著，一種載流子轉(zhuǎn)移到GRM，同時(shí)其他的載流子待在微粒，分子或者陷阱中。
通過運(yùn)用高遷移率的導(dǎo)體和長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間
，提高光電導(dǎo)的增益
。同時(shí)，長(zhǎng)的減慢了運(yùn)行速度。因而這類探測(cè)器可以被用在低的暫時(shí)頻帶寬度上，例如視頻圖像電流。所以合適的評(píng)估不僅來自響應(yīng)度，還有其噪聲等效功率（NEP）和特殊的探測(cè)能力
。
輔助的等離子體波機(jī)制
Dyakonov和Shur提出了一個(gè)光電探測(cè)的方案，即通過憑借場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）來產(chǎn)生有限直流電壓來回應(yīng)振蕩的輻射場(chǎng)。一個(gè)擁有2維電子氣體的FET可以扮演一個(gè)等離子體波的腔體（即密度振蕩）。這些等離子體波只受到微弱的阻擋（即在衰減完之前可從源極到達(dá)漏極），輻射探測(cè)利用了等離子體波在腔體當(dāng)中的相長(zhǎng)干涉，從而引起共振的加強(qiáng)反應(yīng)。在[29]中，由于THz輻射激發(fā)出的等離子體波是過阻尼的，因而不能運(yùn)行在共振模式。
漏源極之間的電勢(shì)差包含了直流的部分，即使進(jìn)來的場(chǎng)是交流的，即得到了信號(hào)整流效果。這對(duì)于THz輻射探測(cè)來說非常有用。整流的出現(xiàn)是因?yàn)?/span>FET通道中2維的電子氣體非線性的響應(yīng)（在[30]中，包括2維電子氣體流體動(dòng)力學(xué)非線性響應(yīng)）。
石墨烯光電流的產(chǎn)生機(jī)理
（a） （b）
圖2.2 （a）上邊：雙通道的石墨烯探測(cè)器（擁有不同摻雜區(qū)域）對(duì)激光束的探測(cè)。下邊：對(duì)應(yīng)上面器件上掃描電流的分布；（b）熱載流子（HC）和光伏效應(yīng)分別產(chǎn)生的光電流與遷移率之間的關(guān)系。
F．Xia等人采用局部掃描光電流成像的方法，得出金屬接觸對(duì)石墨烯通道的電子結(jié)構(gòu)有顯著影響，如圖2.2（a）。這種影響延伸到了接觸以外幾百納米的范圍，隨著柵偏壓的改變，石墨烯中的費(fèi)米能級(jí)位置變化。從而形成PNP或者NPN的電子分布，并且在PN結(jié)處光電流的強(qiáng)度最強(qiáng)。
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