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北京大学彭海琳、刘开辉Nature Communications:二维硒氧化铋光电探测器件

北京大学在二维硒氧化铋超快高敏红外芯片材料方面取得重要进展共同一作: 尹建波博士、谈振军、洪浩及吴金雄博士

共同通讯作者:彭海琳教授和刘开辉研究员

通讯单位:北京大学

论文doi:  10.1038/s41467-018-05874-2

在过去的一个世纪中,红外光探测已经成为人们观测自然的一个重要手段,而基于红外探测的应用业已深入到人们生活的各个方面,比如安全监控、动作检测、红外夜视等。在波长范围为0.7 微米~1毫米红外光中,1~1.8微米波段的短波红外光因其独特应用而格外引人关注。该波段的光在二氧化硅及水中的衰减率低,故该波段中的~1.55 微米波段是高速光纤通讯的载体波段,对该波段的应用开发也促成了数字化时代的到来。此外,基于该波段范围的一些新的应用也在蓬勃发展。例如,最近人们认识到,相比于使用近红外窗口0.75~0.9微米,使用较长波段(近红外二区)1~1.4微米,可以大大提高对生物组织探测的成像精度和深度。基于1~1.8微米红外波段的丰富的应用探索,激发了人们对于其光电探测发展的极大关注。

在历史上,光电探测发展的主要推动力是新型光电材料的发现以及加工工艺的改进。经过一个世纪的努力,人们发现在红外光谱中具有高量子效率和可调带隙的不同块体材料包括:III-VII-VI化合物中的HgCdTeInGaAsInSbGaAs / AlGaAs量子阱和InAs / GaSb超晶格。而这些材料的高质量薄膜难以制备及后续微纳加工,故将这些材料制备成高分辨率红外成像设备将使其成本急剧上升。所以,目前红外探测芯片的一个重要发展趋势是将红外传感材料与廉价成熟的硅基芯片读出电路的结合,进而实现更高的像素、更高的帧速率和更复杂的信号处理功能。而最近二维材料的兴起为这种红外探测器发展趋势提供良好的契机。二维材料具有独特的超薄平面结构和优异的机械性能及柔性,这使得二维材便于加工成焦平面阵列并有可能与硅基芯片读出电路兼容。

灵敏度和响应时间是红外探测器的两个核心指标,而面向实际应用要求沟道材料同时具有良好的空气稳定性。然而,目前已报道的基于二维材料的红外探测器均不能同时满足上述条件。例如,石墨烯显示出高速光电响应,但是其灵敏度较低,典型值小于几十毫安每瓦。传统的过渡金属二硫化物(TMD)通常具有太大的带隙,从而失去了检测红外光的能力。黑磷有不错的红外探测能力,但其化学不稳定性与大规模制造工艺不兼容。因此,人们仍然在寻找可用于高灵敏度和快速红外检测的二维层状材料。

在过去两年多里,北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授课题组和合作者首次发现一类同时具有超高电子迁移率、合适带隙、环境稳定和可批量制备特点的全新二维半导体芯片材料(硒氧化铋,Bi2O2Se)在场效应晶体管器件、量子输运和可见光探测方面展现出优异性能(Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett.2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060

 

北京大学在二维硒氧化铋超快高敏红外芯片材料方面取得重要进展

超快高敏二维Bi2O2Se红外探测器芯片材料示意图及其近红外成像展示

最近,彭海琳教授课题组与刘开辉研究员课题组发现由Bi2O2Se制备成的原型光电探测器件具有很宽的光谱响应(从可见光到1700 nm短波红外区),并同时具有很高的灵敏度(1200 nm处灵敏度高达~65 A/W)而利用飞秒激光器组建的超快光电流动态扫描显示Bi2O2Se光电探测器具有约1皮秒(10-12 秒)的本征超快光电流响应时间。加之,该化合物由交替堆叠的Bi2O2Se层组成,晶体中氧的存在,使其在空气中具有极佳的稳定性,完全可暴露于空气中存放数月且保持稳定。

他们还展示了利用单一Bi2O2Se光电探测器,通过在成像平面上扫描,实现了室温下高分辨率红外成像。由于其二维材料属性,这种光电探测器可制备在柔性基底上,并在1%应力范围内保持正常工作。另外,他们展示出多个Bi2O2Se光电探测器阵列可协同成像,从而具备多像素扫描成像的潜力。由于Bi2O2Se具有与硅基读出电路集成的潜力,并且制备工艺简单,具有大规模生产的可能性,其为高灵敏度、高速度、低成本、可室温工作的柔性红外光电探测和成像开辟了新路径。

该研究成果以“ultrafast and highly sensitive infraredphotodetectors based on two-dimensional oxyselenide crystals”为题发表于2018817日的《自然通讯》Nature CommunicationsDOI: 10.1038/s41467-018-05874-2)上。彭海琳教授和刘开辉研究员为该工作的共同通讯作者。文章的并列作者为尹建波博士、谈振军、洪浩及吴金雄博士。该工作得到了来自科技部和国家自然科学基金委等项目的资助。 

 

作者介绍

彭海琳,北京大学博雅特聘教授、博士生导师。主要从事高迁移率二维材料(石墨烯、拓扑绝缘体、金属硫氧族材料)的制备科学及器件应用研究。建立了拓扑绝缘体二维结构的可控生长方法,实现了首例拓扑绝缘体二维阵列的制备,首次观测到拓扑绝缘体的AB量子干涉效应,并开创了拓扑绝缘体在柔性透明电极的应用;设计并制备了一类全新的超高迁移率二维硒氧族半导体芯片材料;建立了精确调控石墨烯结构的范德华外延、限域“分子流”、持续氧辅助等一系列生长方法,创造了石墨烯单晶生长速度的世界纪录,实现了4英寸无褶皱石墨烯单晶晶圆、大面积石墨烯薄膜的连续批量制备和绿色无损转移,实现了旋转双层石墨烯光电器件研制、单晶石墨烯PN结的调制掺杂和“光热电”机制的高效能量转换。已发表论文150余篇(Science和Nature子刊17篇,JACS/ Nano Lett./ Adv. Mater./ PRL 50余篇),被他引逾10000次,申请/授权专利40余项。并荣获2017年国家自然科学二等奖、第二十届茅以升北京青年科技奖、2017年Small青年科学家创新奖、2017年MRS Singapore ICON-2DMAT Young Scientist Award等奖励。在国际及双边重要学术会议上做邀请报告40余次。
(课题组网页: http://www.chem.pku.edu.cn/hp)

 

刘开辉,物理学院研究员、课题组长、博士生导师。主要从事轻元素二维单晶材料原子制造和百飞秒原子级高精度表征研究,在米级单晶石墨烯超快外延制备、单个碳纳米高通量偏振光学显微技术、原位球差电镜和纳米光谱学结合技术开发、低维材料层间耦合物理研究方向取得了多项创新性成果。发表科研论文80余篇(54篇IF>7),第一/通讯作者40余篇包括Nature Nanotechnology (3篇)、Nature Physics、Nature Communications (5篇)、Advanced Materials (5篇)、PNAS、JACS (2篇)、Nano Letters (4篇)、Chem Rev Soc;申请专利22项,授权8项。目前担任全国材料新技术发展研究会理事,Science Bulletin 副主编,IOP Nano Futures和Nanotechnology杂志编委。曾获北京市科学技术一等奖(2009)和三等奖(2017)、北京大学“黄廷芳/信和青年杰出学者奖”(2017)、北京大学“本科生科研优秀指导教师”(2017)等奖项。在国际及双边重要学术会议上做邀请报告20余次。
(课题组主页:http://www.phy.pku.edu.cn/~khliu/chs_home.html)

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