南京大學(xué)在室溫中波紅外光電探測器獲重要進(jìn)展

     近期，南京大學(xué)校物理學(xué)院繆峰教授課題組及科研合作團(tuán)隊成功實(shí)現(xiàn)了室溫性能超越現(xiàn)有商用技術(shù)的高靈敏中波紅外光電探測，為推動二維材料在紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用邁出重要一步。
     近年來，中波紅外在熱成像、分子鑒定、自由空間通訊、光學(xué)雷達(dá)等方面獲得越來越重要的應(yīng)用，都要求器件在室溫下具備高靈敏度。目前非制冷(室溫)紅外探測器的主流技術(shù)為熱敏電阻式微輻射熱計，但是器件比探測率偏低，響應(yīng)時間慢。針對這方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，南京大學(xué)校物理學(xué)院繆峰教授課題組及科研合作團(tuán)隊利用新型窄帶隙二維材料“黑砷磷”(b-AsP)及相關(guān)范德華異質(zhì)結(jié)，成功實(shí)現(xiàn)了室溫性能超越現(xiàn)有商用技術(shù)的高靈敏中波紅外光電探測。
   該課題組近年來在二維材料可見和近紅外光電探測器領(lǐng)域已取得若干研究進(jìn)展(Nano Lett. 16,2254 (2016)；Adv. Func. Mater. 26,1938 (2016).)，在此基礎(chǔ)上，這項工作選取了黑砷磷這樣一種新型的窄帶隙二維材料。這類材料通過元素砷同族摻雜黑磷得到，特定比例的黑砷磷b-As0.83P0.17已被發(fā)現(xiàn)其帶隙可被調(diào)節(jié)至~0.15 eV，展現(xiàn)了在中紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。該工作首先利用機(jī)械解理法得到b-As0.83P0.17的薄層樣品，制備了場效應(yīng)光晶體管，在室溫下觀察到8.05μm中波紅外的響應(yīng)(圖A)，成功進(jìn)入紅外的第二個大氣窗口。通過對探測器工作機(jī)制進(jìn)一步的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)和光熱電效應(yīng)分別在不同背柵下會起到主導(dǎo)的作用(圖B)。為了克服窄帶隙半導(dǎo)體室溫下暗電流和噪聲較大從而導(dǎo)致器件性能顯著下降的挑戰(zhàn)，繆峰教授課題組利用二維材料定向轉(zhuǎn)移的工藝，將不同摻雜的n型MoS2與b-As0.83P0.17(p型)堆疊在一起形成范德華異質(zhì)節(jié)(圖C)。測試結(jié)果顯示這種結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)有效降低了器件的暗電流和噪聲，室溫比探測率可高達(dá)5´109Jones，比目前被廣泛使用的PbSe紅外探測器的峰值探測率高了近1個量級(圖D)。該結(jié)果也充分展示了基于窄帶隙二維材料的范德華異質(zhì)結(jié)在中波紅外探測領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
   圖：(A)黑砷磷場效應(yīng)器件在室溫下8.05μm中波紅外的響應(yīng)信號，插圖：器件的光伏響應(yīng)(上)與結(jié)構(gòu)示意圖(下)；(B)黑砷磷場效應(yīng)器件的光電流隨偏壓及柵壓的變化關(guān)系，揭示光伏效應(yīng)和光熱電效應(yīng)分別起主導(dǎo)作用；(C)b-AsP-MoS2異質(zhì)結(jié)光電探測器光學(xué)顯微鏡照片，標(biāo)尺5μm；(D)室溫下b-AsP-MoS2異質(zhì)結(jié)光電探測器的比探測率與商用PbSe探測器及商用熱敏電阻探測器的對比。
   該工作以“Room temperature high-detectivity mid-infrared photodetectors based on black arsenic phosphorus”為題于2017年6月30日發(fā)表在Science子刊：《Science Advances》雜志上(Science Advances, 3, e1700589(2017))。
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 　目前非制冷(室溫)紅外探測器的主流技術(shù)為熱敏電阻式微輻射熱計，但是器件比探測率偏低，響應(yīng)時間慢，南京大學(xué)研究團(tuán)隊在室溫中波紅外光電探測器獲重要進(jìn)展，這將推動二維材料在紅外探測領(lǐng)域得到進(jìn)一步應(yīng)用。