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二维材料光电探测器的进展、机遇及挑战

发布时间:2018-11-9 11:54:04      阅读83

  二维材料的研究从石墨烯的发现开始,经历了短短十多年的快速发展,基于二维材料电子光电子器件的研究取得了一系列引人注目的研究成果。随着新的材料合成技术、异质结制作方法及微纳米尺度器件加工技术的发展,具有优异物理性质新型不断被人们发现,具有优异光电性能的新型结构被设计出来,推动了二维材料光电探测研究迅速发展,一系列高性能光电探测器如超宽波段光探测从紫外到可见,然后到红外太赫兹波段高灵敏光探测,超高相应速度石墨烯探测器可以工作在超过100 GHz频段,室温高灵敏长波红外光探测等相继被报道。大面阵高灵敏近红外焦平面器件被先后制备出来,已经实现了388´288的阵列(Nat. Photon., 2017, 11, 366)。逐步向实用化方向发展。在光电探测方面,传统的薄膜半导体(如Si、GaN、InGaAs、InSb、HgCdTe等)一直占据着市场的主导地位。下一代光电探测器正朝着室温、宽波段、超灵敏、超小像元、超大面阵及多维度光信息探测等方向发展。给二维材料光探测器及其异质结构探测器的发展迎来了发展新的机遇,同时也出现许多新的挑战。很多基于二维材料及其异质结的高灵敏红外探测器能够在室温工作,其主要原因是二维材料相比较于传统三维半导体及半导体薄膜,在一个维度的尺寸远小于光波长,能够获得较低的暗电流及噪声。原子层厚的二维材料透光率很高,为什么能够实现超强光物资相互作用?为什么光吸收不然块材还能实现室温红外探测?是什么物理机理使得能在如此薄的材料上获得如此性能优越的光电探测器性能?这类器件的工作机理值得探索和总结。这些器件取得了哪些最新的进展,还存在哪些挑战和需要努力的攻克的难点,未来的发展方向。

  近期来自中科院上海技术物理研究所的胡伟达课题组的邀请综述文章“Progress, Challenges, and Opportunities for 2D Material Based Photodetectors”阐述了二维材料光电探测中的最新进展,全面总结二维材料探测器的重要进展,分析指出和当前探测器存在挑战和需要努力突破的难点,对未来发展方向做了一些探讨。
  目前二维材料探测器单一性能指标都能获得非常优异指标,例如超高光响应率高达~1010 A/W,超高光导增益高达1012,超高频率响应128 GHz,超快光导响应响应时间1 ps等。然而器件的实际运用需要考虑器件的综合性能及研制成本。基于photogating效应获得超高增益及光响应率是牺牲响应时间而获得。而大部分石墨烯探测器能够实现快速光响应,但是响应率非常低。目前需要解决的关键问题是获得高灵敏光探测及快速响应需要同时实现。单元器件向大规模面阵方向发展,单一光强度信息向多维度光信息探测方向发展;抑制器件的暗电流及噪声的同时不损失器件的光响应等。文章通过表格及图形的形势将大量二维材料的性能进行总结,对不同探测需求需要选取的材料及器件结构设计提供一些有价值的信息和建议。

  文章最后总结了基于二维材料光探测器的响应率与响应时间的对比,石墨烯探测器主要适合高速度光响应,过渡金属硫族化合物响应率很高,相对响应时间较长。对于二维材料黑磷,其光响应率和响应速度在两者之间。因此,黑磷是具有高响应率及响应速度的重要材料,目前二维材料探测器仅在黑磷实现对黑体响应。其响应波段在中波红外波段,压缩黑磷材料的带隙及探索新型二维窄带新材料,实现室温中波红外、长波红外探测方面中的实际应用的潜力。另外二维材料的大规模制备也是需要发展的一个重要方向,为制作二维材料大面阵器件阵列打下基础。
  该工作发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201803807),为高性能低维探测器的研制和应用提供了参考。

  来源:Materialsviews

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