二維材料在紅外探測器中的應(yīng)用最新進(jìn)展

二維材料，具有原子厚度，以其獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，吸引了廣大研究人員的關(guān)注，成為了眾多研究領(lǐng)域（如物理、材料、電子、光電子和化學(xué)等等）的明星材料。因二維材料具有較高的載流子遷移率、強(qiáng)的光-物質(zhì)相互作用、電/光學(xué)性質(zhì)各向異性等，使其在光電子領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。其中，窄帶隙二維材料，如黑磷、黑磷砷等，在紅外光電探測器中表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，成為了紅外探測領(lǐng)域的新寵。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院李春教授和蘭長勇副教授課題組在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“二維材料在紅外探測器中的應(yīng)用最新進(jìn)展”為主題的綜述文章。通訊作者為蘭長勇副教授，蘭長勇副教授主要從事低維納米材料與器件的研究工作。

這項(xiàng)研究對二維材料在紅外探測器中的應(yīng)用，特別是光子型光電探測器的最新進(jìn)展進(jìn)行介紹。首先對二維材料的背景進(jìn)行介紹；然后介紹表征光電探測器的關(guān)鍵參數(shù)；接著介紹二維材料在紅外探測器中的最新進(jìn)展，分別展示了單二維材料紅外探測器、異質(zhì)結(jié)紅外探測器和光波導(dǎo)紅外探測器方面的進(jìn)展；最后對二維材料在紅外探測器中的應(yīng)用進(jìn)行展望。

黑鱗和黑磷砷（b-AsP）光電探測器

這項(xiàng)研究主要基于器件的基本結(jié)構(gòu)（單二維材料和異質(zhì)結(jié)機(jī)構(gòu)）來進(jìn)行深入討論。

在單二維材料探測器中，黑磷（BP）、過渡金屬硫族化合物、Te納米片以及Bi2O2Se比較具有代表性。黑磷（BP）具有范德瓦爾斯層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過弱的范德瓦爾斯力結(jié)合，具有很高的載流子遷移率、寬的帶隙可調(diào)范圍和優(yōu)良的電學(xué)性能，使其在光電子領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。過渡金屬硫族化合物是研究的比較早的二維材料，其中存在帶隙在紅外范圍的窄帶隙材料，如MoTe2和近期的熱點(diǎn)材料PdSe2和PtSe2等。VI族的Te材料具有獨(dú)特的一維手性鏈狀晶體結(jié)構(gòu)，具有很小的帶隙外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二維Te納米片具有很高的載流子遷移率。

異質(zhì)結(jié)光電探測器

在異質(zhì)結(jié)光電探測器中，范德瓦爾斯層狀材料，由于表面沒有懸掛鍵，依靠弱的范德瓦爾斯鍵實(shí)現(xiàn)不同層的堆垛構(gòu)成整體，可將不同的二維材料堆疊在一起構(gòu)成垂直堆垛型異質(zhì)結(jié)而無需考慮不同材料之間的晶格失配。該特點(diǎn)使此類材料具有不存在常規(guī)材料的界面態(tài)問題，有利于制作高性能光電器件。二維堆垛型異質(zhì)結(jié)視材料間的能帶排列、偏壓大小可以工作于光電導(dǎo)型或者光伏型。

光波導(dǎo)探測器

另外，二維材料雖然同光具有強(qiáng)烈的相互作用，但是其厚度太薄，能夠被吸收的光非常有限。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對光的充分利用，研究人員采用了多種結(jié)構(gòu)，如光學(xué)共振腔、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等，用于增強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用。其中光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測器的好處是可以充分利用倏逝波，使光同二維材料充分作用，同時這種結(jié)構(gòu)非常適合應(yīng)用于集成光學(xué)。為進(jìn)一步提高二維材料探測器件的性能，可以引入量子點(diǎn)。量子點(diǎn)型光電探測器具有新穎的光電性能，如在寬光譜中具有較高光學(xué)吸收、響應(yīng)光譜可受量子點(diǎn)形貌調(diào)控等。

二維材料以其獨(dú)特而豐富的特性吸引了廣大研究人員的廣泛關(guān)注，在紅外探測器方面具有光明的應(yīng)用前景。盡管二維材料在紅外探測領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步，面向?qū)嶋H應(yīng)用還存在許多問題，如二維材料的規(guī)?；苽鋯栴}、規(guī)模化器件制作工藝問題、。如何充分利用二維材料超薄的特性又不損失對紅外光探測的靈敏度的問題。隨著研究的深入，必將涌現(xiàn)出新的探測機(jī)制、新的器件結(jié)構(gòu)，相信在不久的將來，二維材料將有望應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備中。

該項(xiàng)目獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2019YFB2203504）、國家自然科學(xué)基金（61605024、62074024、61775031）的支持。該研究第一作者為電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生賈欣宇，主要從事二維半導(dǎo)體材料與器件的研究。

審核編輯 ：李倩