近年來，基于二維范德瓦爾斯材料的本征吸收、能帶調(diào)制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及新原理的紅外光電探測器展現(xiàn)了巨大的潛力，并取得了突出的研究成果。對該領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)和分析，有助于進(jìn)一步促進(jìn)范德瓦爾斯材料在紅外光探測領(lǐng)域的應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)在《材料導(dǎo)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“基于范德瓦爾斯材料的紅外光電探測器研究進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為陳昊，通訊作者為黎德龍副研究員，主要從事低維納米材料制備及其在光電子器件應(yīng)用方面的研究工作。

本文首先概述了紅外光電探測器的發(fā)展歷程和分類，重點(diǎn)總結(jié)并分析了范德瓦爾斯材料在紅外光電探測器的紅外光響應(yīng)機(jī)制，進(jìn)一步闡述了范德瓦爾斯材料紅外光電探測器的性能優(yōu)化方法、機(jī)制和進(jìn)展，并對二維范德瓦爾斯材料在紅外光探測器領(lǐng)域存在的問題和未來發(fā)展方向做了系統(tǒng)總結(jié)和展望。

范德瓦爾斯材料紅外光電探測器

紅外光電探測器

不同波段響應(yīng)的紅外光電探測器可以在不同的場景發(fā)揮作用，例如近紅外光電探測器主要應(yīng)用于光度計(jì)量和射線測量等、短波紅外應(yīng)用于提高探測成像的細(xì)節(jié)分辨能力、中紅外和遠(yuǎn)紅外光電探測器主要應(yīng)用于紅外成像、紅外遙感以及導(dǎo)彈制導(dǎo)等。此外，根據(jù)光電響應(yīng)的機(jī)理、器件構(gòu)型和材料類型，紅外光電探測器可以有多種不同的分類方法。

根據(jù)工作機(jī)理，紅外光電探測器可以分為光子探測器和熱探測器兩大類。光子探測器是利用光子效應(yīng)工作的設(shè)備，其靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)頻率高，但一般需要在低溫下工作，可探測波段窄，一般用于光通信、激光雷達(dá)等。熱探測器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)工作的設(shè)備，其響應(yīng)波段較寬，可以在室溫下工作，但其響應(yīng)時(shí)間長，靈敏度較低，一般適用于紅外輻射變化緩慢的場合，如測溫儀、紅外攝像等。

近年來，紅外光電探測器的研究主要圍繞光子型紅外光電探測器展開，其核心原理是基于光輻射在半導(dǎo)體材料中實(shí)現(xiàn)光生載流子的分離與傳輸，進(jìn)而產(chǎn)生光電流實(shí)現(xiàn)光信號向電信號的轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)光信號的探測。一般而言，基于光與材料的相互作用機(jī)制、光生載流子輸運(yùn)過程的差異，光電流的產(chǎn)生包括五種主要方式。第一種是光電導(dǎo)效應(yīng)，即材料吸收光子能量后產(chǎn)生額外的傳輸載流子，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率升高，適用于光通信和光譜分析領(lǐng)域。第二種是光控效應(yīng)，即材料受光輻射后產(chǎn)生電子-空穴對，一種情況是在局域缺陷狀況下捕獲載流子，其本質(zhì)屬于光電導(dǎo)效應(yīng)的一種特例；另一種情況是在導(dǎo)電通道中載流子充當(dāng)局域的門控角色，適用于低功耗、寬帶檢測應(yīng)用，如光電開關(guān)和光電調(diào)制器等；第三種是光生伏特效應(yīng)，其光生電子-空穴對的分離是由內(nèi)電場作用引起的，內(nèi)外電場的方向是相同的，電子-空穴對的分離效率大大提高，適用于快速探測應(yīng)用。第四種是光-熱電效應(yīng)，在不均勻的光輻射下，半導(dǎo)體材料由于光熱效應(yīng)會(huì)在光電探測器的溝道兩端產(chǎn)生一定的溫度差。在溫度場的作用下，載流子從高溫區(qū)遷移到低溫區(qū)，使得材料兩端形成一定的電勢差，即塞貝克電勢，可用于熱敏電阻、熱電偶等熱傳感器。第五種是光-輻射熱效應(yīng)，與光-熱電效應(yīng)相比，其不可以驅(qū)動(dòng)電流，僅在光照和外偏壓的作用下改變電流的大小，廣泛應(yīng)用于太陽能集熱器、激光加熱等領(lǐng)域。

紅外光響應(yīng)范德瓦爾斯材料

二維范德瓦爾斯材料是由單原子層或幾個(gè)原子層構(gòu)成的晶體材料，其層間由弱范德瓦爾斯相互作用力堆積而成，在光電子器件等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。相比于其塊體材料，二維范德瓦爾斯材料顯示出許多新奇的光物理特性，例如層數(shù)依賴的能帶結(jié)構(gòu)、光-物質(zhì)強(qiáng)相互作用、可調(diào)的層間耦合特性、谷電子特性等。此外，二維范德瓦爾斯材料的種類非常豐富，已經(jīng)有超過2000種二維范德瓦爾斯材料被發(fā)現(xiàn)并被成功制備。相比于傳統(tǒng)的光電探測材料，二維范德瓦爾斯材料光電探測器具有許多優(yōu)勢，例如極限尺度的溝道尺寸、超平表面、柵壓調(diào)控能力強(qiáng)，不存在晶格失配等問題。在光響應(yīng)范圍方面，由于豐富的材料體系和層數(shù)依賴的能帶結(jié)構(gòu)，二維范德瓦爾斯材料光電探測器的光響應(yīng)范圍覆蓋了包括紫外波段、紅外波段以及太赫茲波段的所有波段。圖1列舉了常見的二維范德瓦爾斯材料紅外光電探測材料及其光響應(yīng)波段。二維范德瓦爾斯材料能帶結(jié)構(gòu)的多樣性使得其在廣譜、高性能光電探測器領(lǐng)域具有非常巨大的應(yīng)用前景。

圖1 常見可用于紅外光電探測的范德瓦爾斯材料

單元素范德瓦爾斯材料通常具有層數(shù)依賴的窄帶隙能帶結(jié)構(gòu)，在紅外光電探測領(lǐng)域有巨大的潛在應(yīng)用。石墨烯是最早用于紅外光電探測的二維范德瓦爾斯材料其零帶隙特征使其光響應(yīng)范圍可以拓展到100微米。相比于石墨烯等單元素范德瓦爾斯材料，過渡金屬硫族化合物（TMDC）具有豐富的材料類型、多樣化的電子能帶結(jié)構(gòu)、豐富的谷物理性質(zhì)和強(qiáng)烈的自旋軌道耦合，在電子、光電、自旋電子和谷電子學(xué)領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。對于TMDC二維材料，材料的相結(jié)構(gòu)、原子層數(shù)、過渡金屬元素和硫族元素的變化都可以引起電子能帶結(jié)構(gòu)的變化，使得這類材料能夠在更廣泛的場景發(fā)揮作用。

基于范德瓦爾斯材料在紅外光電探測領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力和研究進(jìn)展，本文將以基于范德瓦爾斯材料的光子型紅外光電探測器的研究進(jìn)展綜述為基礎(chǔ)，重點(diǎn)闡述范德瓦爾斯材料的紅外光響應(yīng)的幾種主要機(jī)制，進(jìn)而總結(jié)包括能帶調(diào)制、范德瓦爾斯材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光電探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三種主要的紅外光電探測器的性能優(yōu)化方法，最后對范德瓦爾斯紅外光電探測器的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢做系統(tǒng)總結(jié)。

范德瓦爾斯材料的紅外光響應(yīng)機(jī)制

光電探測器的光響應(yīng)截止波長通常由其帶隙所決定，只有光子能量大于帶隙時(shí)價(jià)帶上的基態(tài)電子才能吸收光子能量被激發(fā)產(chǎn)生光生電子空穴對，在電場作用下光生電子-空穴對發(fā)生分離并形成光電流。對于紅外光電探測器，要求其光響應(yīng)的截止波長在紅外光波段。因此，早期范德瓦爾斯半導(dǎo)體材料紅外光電探測器主要是基于窄帶隙范德瓦爾斯半導(dǎo)體材料開展研究。近年來，隨著材料制備新工藝、材料性能調(diào)制新技術(shù)和新原理/新結(jié)構(gòu)光電探測器的發(fā)展，光電探測器的光響應(yīng)范圍也逐漸突破了材料本征帶隙的限制，部分具有較寬帶隙的范德瓦爾斯材料同樣展現(xiàn)出了優(yōu)異的紅外光響應(yīng)特性。這部分將根據(jù)光生電子-空穴形成機(jī)制的差異，對近年來范德瓦爾斯材料的主要紅外光響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行總結(jié)與闡述。

帶間躍遷

半導(dǎo)體材料的帶隙從根本上決定和限制了光電探測器件的光譜響應(yīng)特征和性能，但是范德瓦爾斯材料豐富的種類以及多樣化的能帶結(jié)構(gòu)為克服這些困難提供了契機(jī)。以石墨烯、bP、PtSe?、MoTe?等為代表的窄帶隙或零帶隙范德瓦爾斯材料的紅外光響應(yīng)主要是源于材料帶隙內(nèi)光吸收而引起的光電導(dǎo)效應(yīng)。范德瓦爾斯材料吸收紅外光光子能量后激發(fā)光生載流子，使得材料內(nèi)的載流子濃度提高。在黑暗狀態(tài)下，材料內(nèi)自由載流子在偏壓作用下會(huì)發(fā)生移動(dòng)，使得探測器有一個(gè)本征較小的暗電流。在紅外光照射下，當(dāng)光子能量大于材料帶隙時(shí)，處于價(jià)帶的電子會(huì)吸收紅外光子的能量被激發(fā)，會(huì)在材料中激發(fā)光生電子-空穴對。在外加偏壓作用下，光生電子-空穴對會(huì)發(fā)生分離并通過電極收集傳輸，因此會(huì)產(chǎn)生明顯的光電流。如表1所示，列舉了部分窄帶隙二維材料（主要包含石墨烯、金屬硫族化合物、bP及其衍生物以及部分窄帶隙氧化物（Bi?O?Se）等）的帶隙及其光電探測性能指標(biāo)。

表1 常見窄帶隙范德瓦爾斯材料及紅外光響應(yīng)性能

對于帶隙較大的范德瓦爾斯材料，其光響應(yīng)截止波長范圍一般在紫外或可見波段。紅外光光子能量小于其帶隙，其價(jià)帶電子無法直接通過吸收紅外光子能量躍遷到導(dǎo)帶，因此在紅外光照射下無法產(chǎn)生光響應(yīng)。在范德瓦爾斯材料中，缺陷的引入可以對半導(dǎo)體中光生載流子的分離與復(fù)合的光動(dòng)力過程進(jìn)行調(diào)制。缺陷能級的產(chǎn)生一方面能夠減小帶隙，拓展光響應(yīng)的光吸收范圍，另一方面還能對材料中光生載流子的傳輸進(jìn)行調(diào)制，優(yōu)化材料帶隙內(nèi)光吸收特性和光響應(yīng)性能。此外，對二維范德瓦爾斯材料進(jìn)行合金化、摻雜處理等同樣可以對二維范德瓦爾斯材料的能帶進(jìn)行調(diào)控。

層間激子

近年來，人工堆疊的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中由于相鄰兩層二維材料之間的多種相互作用賦予的獨(dú)特的光物理特性，在光電器件領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。這其中，在Ⅱ型范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)中，由于其特有的能帶對齊方式，相鄰材料的電子和空穴會(huì)有概率通過庫倫作用而束縛形成層間激子。在范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)光電探測器中，器件的光響應(yīng)范圍主要受到各組成材料的帶隙、介電環(huán)境的影響。而層間激子的出現(xiàn)使得范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的光響應(yīng)范圍能夠突破材料帶隙的限制，對拓展光電探測器的光響應(yīng)范圍有重要價(jià)值。

在范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)中，由于層間激子的形成，范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯減小的帶隙。InSe/PdSe?異質(zhì)結(jié)的激子束縛能達(dá)到-5.97 eV，證明了這種構(gòu)型的異質(zhì)結(jié)界面的強(qiáng)相互作用，滿足層間激子穩(wěn)定存在的必要條件，而這個(gè)明顯減小的帶隙則來源于InSe和PdSe?之間的強(qiáng)耦合作用所誘導(dǎo)的層間激子躍遷。由于這個(gè)較小能級的存在，使得范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)可以對能量更低的紅外光產(chǎn)生響應(yīng)，異質(zhì)結(jié)的光響應(yīng)范圍拓展到近紅外波段（1100 - 1650 nm）。在GaTe/InSe異質(zhì)結(jié)中，由于層間相互作用GaTe和InSe能量差異，在GaTe的導(dǎo)帶和InSe的價(jià)帶之間會(huì)形成從GaTe導(dǎo)帶到InSe價(jià)帶之間的層間激子的躍遷，其對應(yīng)的帶隙僅為0.55 eV（圖2c），這也使得GaTe/InSe異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)了對1550 nm紅外光的吸收和光電響應(yīng)（圖2d）。Su等人發(fā)現(xiàn)ReS?/(CH? (CH?)?NH?) ? (CH?NH?)?Pb?I??異質(zhì)結(jié)界面存在一個(gè)0.4 eV的II型直接帶隙，這種強(qiáng)的層間耦合減小了異質(zhì)結(jié)區(qū)域的能量間隔，能夠?qū)崿F(xiàn)子帶隙的層間躍遷，使得異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)范圍拓展到2000 nm。Lukman等人利用WS?/HfS?異質(zhì)結(jié)之間層間激子的光吸收特性，構(gòu)建了截止波長達(dá)到20 μm的超寬波段響應(yīng)光電探測器。進(jìn)一步的結(jié)合能帶調(diào)制方法，可以實(shí)現(xiàn)范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)中層間激子能量的調(diào)控。在WS?/WSe?異質(zhì)結(jié)中，通過合金化工藝將WS?的S元素用Se元素進(jìn)行部分取代，制備了WS??????Se??（0 ≤ x ≤ 1）/WSe?異質(zhì)結(jié)（圖2e）可以實(shí)現(xiàn)層間激子能量在1.52 eV – 1.4 eV之間的調(diào)制（圖2f），而這種層間激子的能量變化有望實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)光電探測器光響應(yīng)范圍和光響應(yīng)度的定向調(diào)控。

圖2 (a) InSe/PdSe?異質(zhì)結(jié)的能帶圖；(b) InSe/PdSe?異質(zhì)結(jié)中層間激子躍遷示意圖；(c) GaTe/InSe異質(zhì)結(jié)中層間激子躍遷示意圖；(d) GaTe/InSe異質(zhì)結(jié)探測器的光電響應(yīng)范圍；(e) WS??????Se??/WSe?異質(zhì)結(jié)的原子結(jié)構(gòu)示意圖；(f) WS??????Se??/WSe?異質(zhì)結(jié)中type-II型能帶結(jié)構(gòu)示意圖

光熱電效應(yīng)

在具有光熱效應(yīng)的半導(dǎo)體中，在局部光照的情況下，材料吸收光子的能量使得溫度提升，從而在材料中產(chǎn)生溫度差，進(jìn)而基于熱電效應(yīng)在材料兩端產(chǎn)生電勢差。理想的光熱電材料應(yīng)當(dāng)具有大吸光率、小比熱容和小熱導(dǎo)率，使得材料兩端能夠維持更大的溫度差，在材料兩端產(chǎn)生大的溫差電動(dòng)勢，實(shí)現(xiàn)紅外光電探測。光熱電效應(yīng)在WTe?、MoS?、Cd?As?等多種范德瓦爾斯材料中被廣泛研究。基于光熱電效應(yīng)的光電探測器其顯著優(yōu)點(diǎn)包括零偏壓工作和寬波段響應(yīng)，其光響應(yīng)范圍不受半導(dǎo)體材料的帶隙限制，在紅外光電探測領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。但是其主要缺陷是光熱電效應(yīng)本征特性限制，其光響應(yīng)速度相對較慢。

范德瓦爾斯材料紅外光電探測器進(jìn)展

范德瓦爾斯材料展現(xiàn)出了區(qū)別于傳統(tǒng)材料的獨(dú)特物理性質(zhì)，通過對材料性能的優(yōu)化或器件結(jié)構(gòu)的定向設(shè)計(jì)則能夠簡單高效的利用這些性質(zhì)，從而構(gòu)建高性能的光電器件。然而，范德瓦爾斯材料仍存在一些本征固有缺陷（光吸收率低，激子效應(yīng)、暗電流大等）限制了相關(guān)光電器件的性能。通過高效的能帶工程、材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，可以有效的優(yōu)化范德瓦爾斯材料紅外光電探測的性能，有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多功能高效紅外光電探測。基于此，本文將系統(tǒng)總結(jié)和回顧利用能帶調(diào)制、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化范德瓦爾斯紅外光電探測器的性能的研究進(jìn)展。

能帶調(diào)制

電子能帶結(jié)構(gòu)是直接影響范德瓦爾斯材料光電性能的核心因素。在半導(dǎo)體性能優(yōu)化領(lǐng)域，通過能帶工程是調(diào)控并優(yōu)化范德瓦爾斯紅外光電探測器的光響應(yīng)性能最常見和最有效的方法之一。主要介紹三種常用的范德瓦爾斯材料能帶調(diào)控方法，包括：摻雜、合金化處理和應(yīng)力調(diào)控。

基于固相或者液相過程的合金化處理方法被廣泛報(bào)道用于實(shí)現(xiàn)范德瓦爾斯材料的合金化處理。尤其是在TMDC中，利用金屬元素或硫族元素的取代實(shí)現(xiàn)合金化，能夠有效的實(shí)現(xiàn)對TMDC的能帶調(diào)控。例如，在Mo???W?S?（0 ≤ x ≤ 1）合金化范德瓦爾斯材料中，通過調(diào)控Mo/W元素的比例，Mo???W?S?（0 ≤ x ≤ 1）的帶隙隨著W含量的增加先逐漸減小，然后又逐漸增大（圖3b）。對硫族元素進(jìn)行替換，同樣可以實(shí)現(xiàn)對合金化范德瓦爾斯材料的能帶調(diào)控。

圖3 (a)未摻雜和AuCl?摻雜后的InSe的費(fèi)米能級及載流子傳輸示意圖；(b) Mo???W?S?的帶隙隨W含量變化

應(yīng)力調(diào)控是通過拉伸或壓縮材料，在材料中形成應(yīng)變來調(diào)控材料的性能或優(yōu)化器件性能的常用方法。在原子級厚度的范德瓦爾斯材料中，可以同時(shí)存在面內(nèi)或面外的應(yīng)變，相比傳統(tǒng)材料存在更多的應(yīng)變模式和可調(diào)控維度，因此范德瓦爾斯材料的應(yīng)變工程在新型光物理機(jī)制研究和高性能光電子器件開發(fā)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。在范德瓦爾斯材料中通過施加外部應(yīng)力，改變原子間的相對位置或者引起相變，進(jìn)而改變其電子能帶結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)電學(xué)或光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。外部應(yīng)力可以通過拉伸/壓縮/彎曲基板、原子力顯微鏡探針以及在基板構(gòu)建微結(jié)構(gòu)等多種不同方式施加到范德瓦爾斯材料上。基于應(yīng)變工程引起的帶隙變化、直接帶隙/間接帶隙間的轉(zhuǎn)變，范德瓦爾斯材料的紅外光電探測器的光響應(yīng)范圍、光響應(yīng)度等可以被有效調(diào)控（如圖4）。

圖4 在施加應(yīng)力分別為(a) 0%、(b)2.4%、(c)2.6%和(d)3.8%條件下WS?能帶結(jié)構(gòu)示意圖；MoTe?光電探測器(e)截面示意圖和(f)應(yīng)力作用下MoTe?的能帶結(jié)構(gòu)；褶皺石墨烯探測器的(g)結(jié)構(gòu)示意圖和(h)不同應(yīng)變下的光電流

范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于范德瓦爾斯材料表面無懸掛鍵以及層間依賴庫倫作用組建的特性，構(gòu)建范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)不用考慮晶格匹配問題，很容易通過簡單的人工堆疊方法構(gòu)建范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)。通過將不同類型的范德瓦爾斯材料有效堆疊，能夠在增強(qiáng)光吸收的同時(shí)激發(fā)一系列不同于各組分材料的新奇光物理特性。目前，范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的制備方法主要包括干法轉(zhuǎn)移、濕法轉(zhuǎn)移以及外延生長等。通過構(gòu)建范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)，可以從多個(gè)維度優(yōu)化范德瓦爾斯材料光電探測器的光響應(yīng)性能。例如，基于異質(zhì)結(jié)界面電勢差構(gòu)建自供電的低功耗光電探測器、利用不同組分帶隙差異實(shí)現(xiàn)光響應(yīng)范圍的拓展以及基于不同組分費(fèi)米能級差異實(shí)現(xiàn)光生載流子的高效分離從而增強(qiáng)光響應(yīng)等。

在范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)中，借助范德瓦爾斯材料帶隙的差異，光電探測器可以實(shí)現(xiàn)超寬波段的光電響應(yīng)。此外，異質(zhì)結(jié)界面的電勢差產(chǎn)生的內(nèi)建電場還有利于促進(jìn)光生電子的快速分離和傳輸，降低光生電子的復(fù)合效率，提高光電流的大小。一般而言，光電探測器的高響應(yīng)和快速探測能力難以兼?zhèn)洌峭ㄟ^構(gòu)建范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)可以很容易的實(shí)現(xiàn)光電探測器的高響應(yīng)和高速率探測（如圖5）。實(shí)際上，在范德瓦爾斯材料異質(zhì)結(jié)光電探測器中，除了利用不同二維范德瓦爾斯材料堆疊構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，二維范德瓦爾斯材料和其他維度的光電材料，例如和硅基材料、量子點(diǎn)、納米線等不同尺度材料之間同樣可以構(gòu)建高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并且展現(xiàn)出很高性能的紅外光電探測性能。

圖5 (a)WSe?/bP垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件在紫外到紅外光照射時(shí)的增益和比探測與波長關(guān)系；(b) MoTe?/石墨烯垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖和(c)光照下異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；(d)石墨烯-MoTe?-石墨烯三明治異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖;石墨烯-MoTe?-石墨烯三明治異質(zhì)結(jié)光電探測器在1064 nm光照下(e)光響應(yīng)度隨入射光功率變化關(guān)系和(f)光響應(yīng)速率

器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是增強(qiáng)光與光響應(yīng)材料之間的相互作用、擴(kuò)大光譜響應(yīng)范圍、提高光電導(dǎo)增益/光吸收以及外加多物理場調(diào)制等多個(gè)方面優(yōu)化光電探測器的光響應(yīng)性能。除了常規(guī)的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（構(gòu)建叉指電極、蝴蝶型電極、非對稱電極）等方式，包括諧振腔增強(qiáng)、光誘導(dǎo)浮柵結(jié)構(gòu)、光波導(dǎo)耦合、表面等離激元結(jié)構(gòu)及鐵電結(jié)構(gòu)等多種方式都能顯著優(yōu)化光電探測器的光響應(yīng)性能。將重點(diǎn)總結(jié)和回顧通過表面等離子體增強(qiáng)以及光波導(dǎo)耦合優(yōu)化光電探測器性能方面的研究進(jìn)展。

在紅外光電探測器中，通過設(shè)計(jì)金屬納米結(jié)構(gòu)激發(fā)表面等離子體，能夠有效的增強(qiáng)光物質(zhì)相互作用和調(diào)制光吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對紅外光電探測器件光探測性能的優(yōu)化。等離子體納米結(jié)構(gòu)將入射光轉(zhuǎn)化為表面等離子體震蕩，這些表面等離子體的波長較入射光波長要短，因此表面等離子體會(huì)有更高的局域光場強(qiáng)度，從而極大增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。近年來，通過直接構(gòu)建范德瓦爾斯材料/等離子體復(fù)合光電探測器，在MoS?、PtSe?、MoTe?等多種范德瓦爾斯材料中成功增強(qiáng)了光物質(zhì)相互作用。在這類結(jié)構(gòu)中，金屬納米結(jié)構(gòu)直接和范德瓦爾斯材料接觸并發(fā)生相互作用，金屬納米結(jié)構(gòu)在探測器中作為納米天線實(shí)現(xiàn)入射光的吸收和局域化，進(jìn)而增強(qiáng)范德瓦爾斯材料的光吸收并強(qiáng)化光探測性能。圖6a-b展示了一種金屬蝴蝶結(jié)型陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠有效的將入射的紅外光轉(zhuǎn)化為等離子體震蕩從而增強(qiáng)少層bP對紅外光的吸收，在近紅外波段最多增加吸收率近5%（圖6c）。

圖6 金屬蝴蝶結(jié)型陣列的bP光電探測器的(a)器件光學(xué)照片和(b)放大光學(xué)圖像；(c)金屬蝴蝶結(jié)型陣列對bP的光吸收率影響；波導(dǎo)耦合的石墨烯探測器的(d)結(jié)構(gòu)示意圖和(e)不同波長紅外波長照射下產(chǎn)生的光電流大小；(f)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（L為石墨烯覆蓋部分波導(dǎo)長度，W為寬度）變化對石墨烯光吸收率的影響

光學(xué)微腔（或法布里-珀羅共振微腔）是另一種增強(qiáng)光電探測器性能的結(jié)構(gòu)，在Ⅲ-Ⅴ族光電器件里被廣泛應(yīng)用。其通常由兩面分布的布拉格反射鏡構(gòu)成，因?yàn)槿肷涔鈭鰧?huì)被限制在兩面布拉格反射鏡構(gòu)成的光學(xué)微腔中，所以光學(xué)微腔的光損耗非常低，通過光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)可以大幅度提升范德瓦爾斯材料的光吸收率。此外，這種光場限制僅僅會(huì)在特定的波段發(fā)生，而其他波段的光場將不會(huì)被光學(xué)微腔限制，因此通過光學(xué)微腔還可以設(shè)計(jì)出波長選擇的光電探測器。

結(jié)語與展望

文中從紅外光電探測器的基本概念介紹著手，對基于范德瓦爾斯材料的紅外光電探測器的主要光電響應(yīng)機(jī)制、性能優(yōu)化方法的研究成果進(jìn)行了回顧和總結(jié)。近年來，通過范德瓦爾斯半導(dǎo)體材料類型和器件結(jié)構(gòu)的差異化選擇與設(shè)計(jì)，構(gòu)建了性能優(yōu)異且功能多樣化的紅外光電探測器，能夠適應(yīng)不同應(yīng)用場景和滿足不同功能需求。范德瓦爾斯材料紅外光電探測器在光響應(yīng)率、探測率以及響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵性能指標(biāo)方面都有良好的表現(xiàn)，甚至已經(jīng)超越了商業(yè)用的探測器，在紅外光電探測器領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。盡管范德瓦爾斯材料紅外光電探測器取得了巨大的進(jìn)步，差距和困難依然存在。

受限于范德瓦爾斯材料在大規(guī)模制備、光吸收率、器件加工以及極端環(huán)境下穩(wěn)定性等方面所面臨的困難，范德瓦爾斯光電器件的大規(guī)模量產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用還面臨很大的挑戰(zhàn)。首先，在范德瓦爾斯半導(dǎo)材料制備方面主要是基于傳統(tǒng)的機(jī)械剝離和化學(xué)氣相沉積方法制備，無法滿足大批量制備的需求。近年來，國內(nèi)外多個(gè)課題組開發(fā)了多種優(yōu)化的材料制備技術(shù)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了部分范德瓦爾斯材料的大面積制備，為發(fā)展大面積范德瓦爾斯材料可控制備方法提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其次，范德瓦爾斯光電器件的性能穩(wěn)定性需要進(jìn)一步優(yōu)化。光響應(yīng)材料在長時(shí)間服役或極端環(huán)境下的物理化學(xué)性能的穩(wěn)定性需要優(yōu)化。尤其是在太空、低溫等極端環(huán)境下，范德瓦爾斯材料紅外光電探測器的穩(wěn)定性需要更進(jìn)一步的驗(yàn)證和探索。除此之外，從產(chǎn)業(yè)化角度看，基于體材料的紅外光電探測器無論是在基礎(chǔ)研究還是商用應(yīng)用領(lǐng)域仍處于領(lǐng)先地位。范德瓦爾斯材料紅外光電探測器的出現(xiàn)和發(fā)展無疑是對體材料紅外光電探測器有益的補(bǔ)充。在未來的研究中，應(yīng)該充分發(fā)揮范德瓦爾斯材料在光電性能、加工設(shè)計(jì)靈活性和材料種類多樣性方面的獨(dú)特優(yōu)勢，重點(diǎn)開展新結(jié)構(gòu)器件、微型器件和柔性器件方面的應(yīng)用研究。通過合理的材料設(shè)計(jì)與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效的和傳統(tǒng)紅外光電探測器相互補(bǔ)充，構(gòu)建功能多樣化高性能紅外光電探測器。

審核編輯：彭菁