基于二維材料的中紅外光探測器的發(fā)展

中科院長春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李紹娟研究員課題組近期以“Research development of 2D materials based photodetectors towardsmid-infrared regime”為題綜述了基于二維材料的中紅外光探測器的發(fā)展，文章發(fā)表在Wiley旗下Nano select期刊，安君儒同學(xué)為文章的第一作者。文章介紹了基于二維材料的中紅外光探測器的應(yīng)用潛力，總結(jié)了這一領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，歸納對比了目前提升器件性能的不同方法，并對器件性能的進(jìn)一步優(yōu)化提出了建議。

紅外光探測器是多種光電應(yīng)用的核心，在光譜學(xué)、遙感、成像和光通信等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。其中，中紅外光譜范圍包含了多個(gè)大氣窗口（如3~5 μm和8~14 μm），與追蹤、熱成像、環(huán)境監(jiān)測以及大多數(shù)生物分子和化學(xué)物質(zhì)的主要吸收波段和指紋識別有關(guān)，是在應(yīng)用技術(shù)上非常重要的波段。與可見光和近紅外波段的光探測器相比，當(dāng)前用于中紅外波段的商業(yè)化光探測器通常受到需要低溫制冷、成本高昂，或者制造復(fù)雜，與硅基半導(dǎo)體工藝不兼容的困擾。

近年來，以石墨烯為代表的二維材料由于具有優(yōu)異的光電性能（如可調(diào)的能帶帶隙，強(qiáng)光吸收性能，高載流子遷移率，良好的柔韌性和易加工性等）顯示出了實(shí)現(xiàn)高性能中紅外光探測器的潛力。二維材料可以通過機(jī)械剝離或直接在襯底上生長的方法制備，工藝相對簡單，并且二維材料超薄、超小的天然屬性，易與其他半導(dǎo)體材料集成，這些特點(diǎn)有助于探測器件的進(jìn)一步小型化。

文章在第一部分首先討論了二維材料在中紅外光探測中的潛在優(yōu)勢，二維材料與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的工藝兼容性和功能多樣化有希望克服傳統(tǒng)中紅外光探測器進(jìn)一步小型化所面臨的困難，使得二維材料有希望成為紅外電子-光子集成中的重要潛在材料。

圖1 幾種代表性的二維材料光探測器與傳統(tǒng)紅外探測器的性能參數(shù)對比。(a)光探測器的探測率、工作溫度和工作波長的依賴關(guān)系。(b)光探測器的響應(yīng)度和響應(yīng)速度的依賴關(guān)系。

第二部分介紹了近些年來基于二維材料的中紅外光探測器的研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注了石墨烯、黑磷、砷摻雜黑磷、第十族過渡金屬硫族化合物、拓?fù)浒虢饘?、二維碲烯等窄帶隙二維材料，以及不同二維材料組成的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的新型物理效應(yīng)在中紅外波段光探測中的應(yīng)用。第三部分，作者總結(jié)了這個(gè)快速增長的領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)。文中指出，目前在獲得兼具高響應(yīng)速度、高增益和高探測率的二維材料中紅外光探測器方面仍然面臨很大挑戰(zhàn)。第四部分，作者對目前提高二維材料光探測器性能的方法進(jìn)行了總結(jié)分析。在二維材料光探測研究的早期，石墨烯的研究發(fā)展驅(qū)動了許多新型二維材料的發(fā)掘，伴隨著出現(xiàn)了不同類型的光探測器件。然而早期對光探測器件的研究大多體現(xiàn)在器件單一性能指標(biāo)的提升方面，在響應(yīng)度和增益方面獲得了大幅度的提升。而伴隨著中遠(yuǎn)紅外光探測的發(fā)展，對探測器噪聲的抑制以及探測率的提升變得尤為重要。而目前主流提升探測器件性能的解決途徑包括：1）提高系統(tǒng)對弱光信號的探測能力，提高響應(yīng)度，比較有效的途徑是提高光探測系統(tǒng)的光吸收度。2）降低暗電流和抑制系統(tǒng)噪聲，從而提高探測率，比較有效的途徑是引入p-n結(jié)或者肖特基結(jié)。這些方法各有優(yōu)缺，作者在文中也進(jìn)行了討論。

圖2 二維材料光探測器近年來的研究發(fā)展

盡管基于二維材料的中紅外光探測器的研究仍有一些關(guān)鍵問題需要解決，但二維材料的原子層性質(zhì)和寬帶光響應(yīng)有望成為中遠(yuǎn)紅外光電探測的重要潛在材料。為了獲得具有快速響應(yīng)、高增益和高響應(yīng)度的二維材料中紅外光探測器，可以通過增加中紅外波段的光吸收或者改變能帶結(jié)構(gòu)來優(yōu)化器件的光響應(yīng)性能，以便快速有效地提取電信號。對于前者，可以使用光學(xué)諧振腔等設(shè)計(jì)來增強(qiáng)光吸收。對于后者，可以探索能帶匹配和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中的新穎物理特性（例如彈道雪崩現(xiàn)象和層間激子）來提高器件在中紅外波長下的性能。如何實(shí)現(xiàn)兼具高靈敏度、高速度、可室溫工作的中紅外光探測器是目前一個(gè)重要的研究領(lǐng)域和科研熱點(diǎn)，作者希望這篇文章中對當(dāng)前研究的總結(jié)與分析可以為高靈敏度、高速、緊湊的中紅外光探測器的開發(fā)提供更多的思路。

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