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Small综述:基于局域场增强的二维材料光电探测器研究进展

光电探测器具备把光信号转换成电信号的功能,是人类现代生活中很重要的一类传感器。以快速发展的智能手机摄像头为例,小至几个平方毫米的传感器能够存储千万级像素的图像信息,极大地丰富和方便了人们的生活。然而人眼能感知的可见光(380 nm~780 nm)却仅仅是电磁波谱中极窄的一段,还有许多其它波段的光谱信息需要探测器去读取。按波段划分,探测器可以分为紫外、可见和红外三大类。其中红外探测器又可以根据大气窗口细分为短波红外(1 ~ 3 μm)、中波红外(3 ~ 5 μm)和长波红外(8 ~ 14 μm)三种。高性能的光电探测器主要依靠半导体带间或者带内的光跃迁。比如,薄膜半导体硅的带隙为1.1eV,可以探测0.4 ~ 1.1 μm的可见-近红外光,而InGaAs、InSb、HgCdTe等窄带隙(0.1 ~ 1 eV)半导体则完全覆盖1 ~ 14μm的整个典型的红外波段,广泛应用于红外探测。这些薄膜材料探测器的工艺已经成熟,性能也很优越。

近十年来二维材料的快速发展吸引了诸多目光,同时该体系也为研究者们提供了一个良好的物理平台,基于二维材料的高性能电子、光电子器件更被广泛报导。与传统的薄膜材料相比,二维材料用于研制光电探测器有什么优势和劣势,应用前景如何?

Small综述:基于局域场增强的二维材料光电探测器研究进展

中科院上海技术物理研究所的胡伟达研究团队及王建禄陈效双陆卫等近期以“Recent Progress on Localized Field Enhanced Two-dimensional Material Photodetectors from Ultraviolet-Visible to Infrared” 为题综述了基于局域场增强的二维材料光电探测器的研究进展。二维材料因为“薄”所以吸光不足,但是“薄”同时带来了易于调控的优点。因此局域场在二维材料光电探测器中显得十分重要。该综述文章将二维材料光电探测器中的局域场分为三大类,具体是指局域电场,局域光场和局域温场。其中局域电场最为丰富,包括铁电场、光诱导栅控场(photogating)、浮栅场和层间内建场。从提升探测器性能的角度来看,铁电场和浮栅场主要用来降低器件的暗电流,抑制噪声和提升探测率,photogating可以提高增益、提升器件的灵敏度,而层间内建场可以促进电子空穴分离提高量子效率,并同时抑制暗电流。需特别指出层间内建场主要存在于范德华尔斯异质结。范德华尔斯异质结充分利用了二维材料表面无悬挂键的优点,结合具有不同带隙的二维材料,可有效拓展器件的响应波段。局域光场主要有基于等离激元共振增强的人工微结构、耦合光波导以及陷光微腔,此类局域场为解决二维材料对光利用率低提供了途径。如,尽管石墨烯光吸收系数大,但是单层的石墨烯还是只能吸收3%的入射光浪费掉大部分的光能。实验表明MoS2上蒸镀金阵列可以使响应率提高三倍。最后一类局域温度梯度场主要针对二维材料中的光热电效应。以石墨烯为例,石墨烯中的热载流子弛豫时间在皮秒量级,光热电主导的器件响应带宽可高达GHz。因此局域温度场在二维材料中也显得尤为重要。

Small综述:基于局域场增强的二维材料光电探测器研究进展

区别于其它直接阐述光电探测机理的文章,该工作主要从器件结构的角度研究了局域场调控在二维材料光电探测器中的重要作用。文章发表于SmallDOI:10.1002/smll.201700894),为研究开发高性能二维材料光电探测器提供了系统参考。


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