Advanced Functional Materials:二維材料光電探測器的進

作者: 伊人影院科技集團 / 時間: 2019-06-06 09:39:18
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二維材料的研究從石墨烯的發現開始。經曆了短短十多年的快速發展,基於二維材料的電子、光電子器件的研究取得了一係列引人注目的成果。隨著新的材料合成技術、異質結製備方法及微納米尺度器件加工技術的發展,具有優異物理性質的新型器件不斷被成功研製。其中具備優異光電性能的新型結構被不斷地設計和製備,快速推動了二維材料光電探測器的發展。一係列高性能光電探測器被相繼被報導,如超寬波段二維材料光電探測器可以實現從紫外到紅外甚至太赫茲波段的高靈敏探測,超快響應速度的石墨烯探測器帶寬高於100 GHz,部分基於二維材料異質結的中、長波紅外探測器實現了室溫工作。此外,大麵陣高靈敏近紅外焦平麵器件也被成功研製,已經實現了388´288的陣列成像(Nat. Photon., 2017, 11, 366),逐步向實用化方向發展。

在光電探測方麵,傳統的薄膜半導體(如Si、GaN、InGaAs、InSb、HgCdTe等)一直占據著市場的主導地位。下一代光電探測器正朝著室溫、寬波段、超靈敏、超小像元、超大麵陣及多維度光信息探測等方向發展。新型二維材料光探測器及其異質結構探測器的發展迎來了新的機遇和挑戰。相比較於傳統三維薄膜半導體,二維材料在一個維度的尺寸遠小於光波長,能夠獲得較低的暗電流及噪聲。然而,原子層厚的二維材料透光率很高,光吸收不如薄膜材料,怎麽實現超強光與物質相互作用,如何實現室溫紅外探測?是什麽物理機製使得能在如此薄的材料上獲得優越的光電探測性能?是否存在難以克服的缺點?未來發展方向如何?該類器件的工作機製和應用價值值得探索和總結。

Advanced Functional Materials:二維材料光電探測器的進

近期,來自中科院上海技術物理研究所的胡偉達課題組的邀請綜述文章“Progress, Challenges, and Opportunities for 2D Material Based Photodetectors”闡述了二維材料光電探測中的探測機理,從關鍵指標角度全麵總結了二維材料探測器的重要進展,分析和指出了當前探測器存在挑戰和需要努力突破的難點,對未來發展方向做了進一步探討。

目前二維材料探測器可以實現超高的單項性能指標,例如光響應率可高達~10^10 A/W,光導增益~10^12,頻率響應~128 GHz,響應時間~1 ps等。然而器件的實際應用需要考慮器件的綜合性能及研製成本。基於Photogating效應獲得的超高光增益是以犧牲響應時間為代價的。大部分石墨烯探測器能夠實現快速光響應,海外版比特幣,但是響應率非常低。目前需要解決的關鍵問題如何同時實現高靈敏和快速探測,抑製暗電流和噪聲的同時不損失器件的響應率等。此外,如何實現二維材料的大麵積製備,促進單元器件向大規模麵陣發展,實現從單一光強度探測到多維度光信息探測的升級,也是正在麵臨著的嚴峻挑戰。文章通過表格和圖形數據對大量二維材料探測器的性能進行了總結,針對不同實際探測所需求的材料選取及器件結構設計提供了有價值的信息和建議。

Advanced Functional Materials:二維材料光電探測器的進

文章最後總結了基於二維材料光探測器的響應率與響應時間的對比。石墨烯探測器主要適合快速光電探測,但響應率偏低;過渡金屬硫族化合物響應率很高,但相對響應時間較長;黑磷的光響應率和響應速度在兩者之間。因此,黑磷是可能同時實現高響應率和響應速度的重要材料,目前二維材料探測器中僅有黑磷實現了直接的黑體響應,響應波段在中波紅外。進一步窄化黑磷材料的帶隙及探索新型二維窄帶新材料,是努力實現基於二維材料的室溫中長波紅外探測實際應用的重要途徑。另外二維材料的大規模製備也是需要發展的一個重要方向,為未來製備二維材料大麵陣器件打下基礎。

該工作發表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201803807),為高性能二維材料光電探測器的研製和應用提供了參考。

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