南京大學在室溫中波紅外光電探測器獲重要進展

     近期，南京大學校物理學院繆峰教授課題組及科研合作團隊成功實現(xiàn)了室溫性能超越現(xiàn)有商用技術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域的應用邁出重要一步。
     近年來，中波紅外在熱成像、分子鑒定、自由空間通訊、光學雷達等方面獲得越來越重要的應用，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為熱敏電阻式微輻射熱計，但是器件比探測率偏低，響應時間慢。針對這方面的技術挑戰(zhàn)，南京大學校物理學院繆峰教授課題組及科研合作團隊利用新型窄帶隙二維材料“黑砷磷”(b-AsP)及相關范德華異質(zhì)結(jié)，成功實現(xiàn)了室溫性能超越現(xiàn)有商用技術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域已取得若干研究進展(Nano Lett. 16,2254 (2016)；Adv. Func. Mater. 26,1938 (2016).)，在此基礎上，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)了在中紅外探測領域的應用潛力。該工作首先利用機械解理法得到b-As0.83P0.17的薄層樣品，制備了場效應光晶體管，在室溫下觀察到8.05μm中波紅外的響應(圖A)，成功進入紅外的第二個大氣窗口。通過對探測器工作機制進一步的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)光伏效應和光熱電效應分別在不同背柵下會起到主導的作用(圖B)。為了克服窄帶隙半導體室溫下暗電流和噪聲較大從而導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)在中波紅外探測領域的巨大應用潛力。
   圖：(A)黑砷磷場效應器件在室溫下8.05μm中波紅外的響應信號，插圖：器件的光伏響應(上)與結(jié)構(gòu)示意圖(下)；(B)黑砷磷場效應器件的光電流隨偏壓及柵壓的變化關系，揭示光伏效應和光熱電效應分別起主導作用；(C)b-AsP-MoS2異質(zhì)結(jié)光電探測器光學顯微鏡照片，標尺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))。
 　編輯點評
 　目前非制冷(室溫)紅外探測器的主流技術為熱敏電阻式微輻射熱計，但是器件比探測率偏低，響應時間慢，南京大學研究團隊在室溫中波紅外光電探測器獲重要進展，這將推動二維材料在紅外探測領域得到進一步應用。