低維材料光電探測(cè)研究進(jìn)展

邴 單，白 靜，杜如霞

(南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，江蘇 南京 211134)

光電探測(cè)器通過(guò)將吸收的光子能量轉(zhuǎn)換為電流來(lái)測(cè)量光通量或光功率。光電探測(cè)器在成像、光通訊以及遙感技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，快速、高靈敏度以及寬波段響應(yīng)的高性能探測(cè)需求愈發(fā)突出。傳統(tǒng)的硅基、鍺基探測(cè)器技術(shù)雖然已經(jīng)很成熟，但在尺寸小型化以及高性能突破方面遇到瓶頸，急需性能更優(yōu)異而且便于集成的探測(cè)[1]。

近年來(lái)，量子點(diǎn)、納米線(xiàn)、二維層狀材料以及三維狄拉克半金屬材料引起了人們的研究熱潮。由于量子限域效應(yīng)和維數(shù)依賴(lài)性，納米結(jié)構(gòu)材料展現(xiàn)出許多優(yōu)異的光電特性，因而低維材料在光電探測(cè)領(lǐng)域極具潛力。量子點(diǎn)常被用作光吸收層，利用光誘導(dǎo)的類(lèi)柵極電場(chǎng)調(diào)控(Photogating)機(jī)制很容易實(shí)現(xiàn)高靈敏探測(cè)。半導(dǎo)體納米線(xiàn)常具有優(yōu)異的物化性質(zhì)，比如能帶可調(diào)，豐富的表面態(tài)以及共振光吸收。具有代表性的二維材料石墨烯，不僅遷移率高而且其從紫外到遠(yuǎn)紅外都有光吸收，適合于高靈敏和寬波段探測(cè)。過(guò)渡金屬硫族化合物材料在探測(cè)領(lǐng)域也是研究熱點(diǎn)之一，這類(lèi)材料可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和快速響應(yīng)，尤其在可見(jiàn)光波段。黑磷作為一種窄帶系材料，在寬波段探測(cè)方面性能卓越，更重要的是其具有偏振敏感性，可以用于偏振光檢測(cè)。三維狄拉克半金屬也是一類(lèi)光電探測(cè)的熱門(mén)材料，其體電子形成了三維的狄拉克錐結(jié)構(gòu)。這類(lèi)材料可以與光有很強(qiáng)的相互作用，載流子遷移率很高而且穩(wěn)定性好。比如Cd3As2，遷移率達(dá)到9×106cm2V-1s-1。

相比于傳統(tǒng)的光電探測(cè)材料，如GaAs，Si和Ge,低維材料的性質(zhì)更易于調(diào)控。可以通過(guò)化學(xué)摻雜、電學(xué)調(diào)控、以及物理吸附等等方式對(duì)材料進(jìn)行修飾。此外采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)可以集不同材料的優(yōu)勢(shì)。鑒于尺寸優(yōu)勢(shì)，低維材料在器件小型化以及集成方面有著很大潛力。當(dāng)前，將石墨烯與量子點(diǎn)、塊狀半導(dǎo)體、有機(jī)物或者拓?fù)浣^緣體材料組成的混合系統(tǒng)用于光電探測(cè)已十分廣泛，基于石墨烯的混合系統(tǒng)探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)超高靈敏度[2]。相比于傳統(tǒng)塊體探測(cè)材料，二維材料還便于被設(shè)計(jì)成范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這極大拓展了器件的可設(shè)計(jì)性。針對(duì)不同材料的能帶結(jié)構(gòu)和特性，可選擇結(jié)構(gòu)匹配，功能互補(bǔ)的材料設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)以實(shí)現(xiàn)性能更優(yōu)異的光電探測(cè)器。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 高靈敏度光電探測(cè)

圖1 石墨烯/石墨烯量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器示意圖

靈敏度是探測(cè)器的重要參數(shù)之一。石墨烯雖然遷移率很高，但是在可見(jiàn)和紅外波段的光吸收相對(duì)較弱，結(jié)合量子點(diǎn)可以有效解決這一問(wèn)題。以Photogating機(jī)制運(yùn)作的石墨烯-量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高靈敏探測(cè)。Gerasimos Konstantatos等人研究了以硫化鉛量子點(diǎn)與石墨烯組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，量子點(diǎn)作為光吸收層，實(shí)現(xiàn)108增益，并且響應(yīng)率達(dá)到107A W-1[3]。Golam Haider等人研究了石墨烯-石墨烯量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)探測(cè)器，光響應(yīng)達(dá)到4.06×109A W-1[4]，如圖1所示。此外，將石墨烯與其他光吸收較強(qiáng)的材料相結(jié)合，比如二維鈣鈦礦等，也是一個(gè)很有前景的研究方向。未來(lái)需要發(fā)掘光吸收系數(shù)更高的材料，以實(shí)現(xiàn)高靈敏探測(cè)。

1.2 超高速光電探測(cè)

探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間不僅與器件的運(yùn)作機(jī)制有關(guān)，而且要實(shí)現(xiàn)高速探測(cè)對(duì)材料的遷移率有較高要求。石墨烯基光電探測(cè)器的最快響應(yīng)時(shí)間約為 50 fs。三維狄拉克半金屬材料Cd3As2的遷移率達(dá)到9×106cm2V-1s-1。基于Cd3As2的未經(jīng)特殊處理的高速探測(cè)器被證實(shí)適用于速率達(dá)到145 GHz的數(shù)據(jù)通道中，如圖2所示[5]。基于石墨烯或三維狄拉克半金屬材料的器件在高速探測(cè)方面不斷得到突破，未來(lái)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能調(diào)控有望進(jìn)一步提高探測(cè)速度。由于高速探測(cè)對(duì)材料遷移率要求高，因此未來(lái)研究里可以針對(duì)材料改性與調(diào)控，提高遷移率，以實(shí)現(xiàn)更高速的探測(cè)。

圖2 基于三維狄拉克半金屬材料Cd3As2的高速探測(cè)器

1.3 超寬波段光電探測(cè)

在通訊、熱成像、天文等領(lǐng)域，紅外探測(cè)非常重要。傳統(tǒng)的硅基探測(cè)器受限于材料本身的吸收特性，可探測(cè)紫外到近紅外波段(400～1100 nm)，不能滿(mǎn)足光通訊的需求。碳納米管在紅外光波段的光吸收系數(shù)較高，將碳納米管與石墨烯結(jié)合，兩者的界面處形成很強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，可有效分離光生載流子。單壁碳納米管/石墨烯結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)400 nm到1550 nm波段的高響應(yīng)探測(cè)[6]。在兩層石墨烯之間插入超薄遂穿層的垂直遂穿結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)有效的光吸收和電荷分離。如圖3所示，基于垂直隧穿結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測(cè)器可以探測(cè)到中紅外范圍，并且在3.2 μm波段響應(yīng)達(dá)到1.1 A W-1[7]。在二維材料中，除了零帶隙的石墨烯，窄帶系材料黑磷等也適用于寬波段探測(cè)。黑磷光電探測(cè)器被證實(shí)能夠進(jìn)行超寬波段光探測(cè)(400～3750 nm)[8]，同時(shí)保持偏振靈敏性。適用于寬波段探測(cè)的還有窄帶系的二維非層狀材料。比如Pb1-xSnxSe，可以實(shí)現(xiàn)375 nm到2 μm波段的有效探測(cè)。寬波段探測(cè)對(duì)于材料本身的光吸收性質(zhì)有依賴(lài)性，因此需要關(guān)注材料的選擇以及復(fù)合結(jié)構(gòu)探測(cè)器的發(fā)掘。在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也是一個(gè)重要的研究方向。

圖3 石墨烯光電探測(cè)器

2 總結(jié)及展望

低維材料光電探測(cè)領(lǐng)域在高靈敏探測(cè)、高速探測(cè)、寬波段探測(cè)等領(lǐng)域已取得了重要的研究突破。下一階段的研究重點(diǎn)需要集中在以下幾點(diǎn)：(1)在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，響應(yīng)時(shí)間主要依賴(lài)于載流子的壽命，而壽命的高低又一定程度上影響著器件的靈敏度。如何在保證高靈敏探測(cè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)器件的快速響應(yīng)，是該領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)。(2)低維材料光電探測(cè)器在可見(jiàn)和近紅外波段具有很好的性能，然而，在中遠(yuǎn)紅外波段，器件的性能與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料InGaAs和HgCdTe等還存在這明顯的差距，需要通過(guò)后期研究工作去進(jìn)一步提升。(3)低維材料光電探測(cè)要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，還需要解決大尺寸、高質(zhì)量薄膜材料的制備難題。總之，低維材料在光電探測(cè)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，但需要在高質(zhì)量材料制備、機(jī)理探索、新原理器件開(kāi)發(fā)方面繼續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究。