中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)國(guó)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(cè)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(cè)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(duì)比了目前提升器件性能的不同方法，并對(duì)器件性能的進(jìn)一步優(yōu)化提出了建議。

紅外光探測(cè)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(cè)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(shí)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(cè)器相比，當(dāng)前用于中紅外波段的商業(yè)化光探測(cè)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(cè)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(zhǎng)的方法制備，工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(cè)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(cè)中的潛在優(yōu)勢(shì)，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(cè)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(cè)器與傳統(tǒng)紅外探測(cè)器的性能參數(shù)對(duì)比。(a)光探測(cè)器的探測(cè)率、工作溫度和工作波長(zhǎng)的依賴關(guān)系。(b)光探測(cè)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(cè)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)浒虢饘佟⒍S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(cè)中的應(yīng)用。第三部分，作者總結(jié)了這個(gè)快速增長(zhǎng)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(cè)率的二維材料中紅外光探測(cè)器方面仍然面臨很大挑戰(zhàn)。第四部分，作者對(duì)目前提高二維材料光探測(cè)器性能的方法進(jìn)行了總結(jié)分析。在二維材料光探測(cè)研究的早期，石墨烯的研究發(fā)展驅(qū)動(dòng)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(cè)器件。然而早期對(duì)光探測(cè)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(cè)的發(fā)展，對(duì)探測(cè)器噪聲的抑制以及探測(cè)率的提升變得尤為重要。而目前主流提升探測(cè)器件性能的解決途徑包括：1）提高系統(tǒng)對(duì)弱光信號(hào)的探測(cè)能力，提高響應(yīng)度，比較有效的途徑是提高光探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(hào)。對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(cè)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(duì)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(cè)器的開發(fā)提供更多的思路。

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