低維材料光電探測研究進展

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)

光電探測器通過將吸收的光子能量轉(zhuǎn)換為電流來測量光通量或光功率。光電探測器在成像、光通訊以及遙感技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時，快速、高靈敏度以及寬波段響應(yīng)的高性能探測需求愈發(fā)突出。傳統(tǒng)的硅基、鍺基探測器技術(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[1]。

近年來，量子點、納米線、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領(lǐng)域極具潛力。量子點常被用作光吸收層，利用光誘導(dǎo)的類柵極電場調(diào)控(Photogating)機制很容易實現(xiàn)高靈敏探測。半導(dǎo)體納米線常具有優(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。過渡金屬硫族化合物材料在探測領(lǐng)域也是研究熱點之一，這類材料可以實現(xiàn)高靈敏度和快速響應(yīng)，尤其在可見光波段。黑磷作為一種窄帶系材料，在寬波段探測方面性能卓越，更重要的是其具有偏振敏感性，可以用于偏振光檢測。三維狄拉克半金屬也是一類光電探測的熱門材料，其體電子形成了三維的狄拉克錐結(jié)構(gòu)。這類材料可以與光有很強的相互作用，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。可以通過化學(xué)摻雜、電學(xué)調(diào)控、以及物理吸附等等方式對材料進行修飾。此外采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)等設(shè)計可以集不同材料的優(yōu)勢。鑒于尺寸優(yōu)勢，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、塊狀半導(dǎo)體、有機物或者拓?fù)浣^緣體材料組成的混合系統(tǒng)用于光電探測已十分廣泛，基于石墨烯的混合系統(tǒng)探測器可以實現(xiàn)超高靈敏度[2]。相比于傳統(tǒng)塊體探測材料，二維材料還便于被設(shè)計成范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這極大拓展了器件的可設(shè)計性。針對不同材料的能帶結(jié)構(gòu)和特性，可選擇結(jié)構(gòu)匹配，功能互補的材料設(shè)計異質(zhì)結(jié)以實現(xiàn)性能更優(yōu)異的光電探測器。

1 國內(nèi)外研究進展

1.1 高靈敏度光電探測

圖1 石墨烯/石墨烯量子點結(jié)構(gòu)光電探測器示意圖

靈敏度是探測器的重要參數(shù)之一。石墨烯雖然遷移率很高，但是在可見和紅外波段的光吸收相對較弱，結(jié)合量子點可以有效解決這一問題。以Photogating機制運作的石墨烯-量子點復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高靈敏探測。Gerasimos Konstantatos等人研究了以硫化鉛量子點與石墨烯組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，量子點作為光吸收層，實現(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-石墨烯量子點復(fù)合結(jié)構(gòu)探測器，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的材料相結(jié)合，比如二維鈣鈦礦等，也是一個很有前景的研究方向。未來需要發(fā)掘光吸收系數(shù)更高的材料，以實現(xiàn)高靈敏探測。

1.2 超高速光電探測

探測器的響應(yīng)時間不僅與器件的運作機制有關(guān)，而且要實現(xiàn)高速探測對材料的遷移率有較高要求。石墨烯基光電探測器的最快響應(yīng)時間約為 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器被證實適用于速率達(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方面不斷得到突破，未來通過優(yōu)化設(shè)計和性能調(diào)控有望進一步提高探測速度。由于高速探測對材料遷移率要求高，因此未來研究里可以針對材料改性與調(diào)控，提高遷移率，以實現(xiàn)更高速的探測。

圖2 基于三維狄拉克半金屬材料Cd3As2的高速探測器

1.3 超寬波段光電探測

在通訊、熱成像、天文等領(lǐng)域，紅外探測非常重要。傳統(tǒng)的硅基探測器受限于材料本身的吸收特性，可探測紫外到近紅外波段(400～1100 nm)，不能滿足光通訊的需求。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的內(nèi)建電場，可有效分離光生載流子。單壁碳納米管/石墨烯結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)400 nm到1550 nm波段的高響應(yīng)探測[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)的石墨烯光探測器可以探測到中紅外范圍，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。黑磷光電探測器被證實能夠進行超寬波段光探測(400～3750 nm)[8]，同時保持偏振靈敏性。適用于寬波段探測的還有窄帶系的二維非層狀材料。比如Pb1-xSnxSe，可以實現(xiàn)375 nm到2 μm波段的有效探測。寬波段探測對于材料本身的光吸收性質(zhì)有依賴性，因此需要關(guān)注材料的選擇以及復(fù)合結(jié)構(gòu)探測器的發(fā)掘。在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也是一個重要的研究方向。

圖3 石墨烯光電探測器

2 總結(jié)及展望

低維材料光電探測領(lǐng)域在高靈敏探測、高速探測、寬波段探測等領(lǐng)域已取得了重要的研究突破。下一階段的研究重點需要集中在以下幾點：(1)在光電轉(zhuǎn)換過程中，響應(yīng)時間主要依賴于載流子的壽命，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的同時，實現(xiàn)器件的快速響應(yīng)，是該領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)。(2)低維材料光電探測器在可見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，需要通過后期研究工作去進一步提升。(3)低維材料光電探測要實現(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、機理探索、新原理器件開發(fā)方面繼續(xù)開展相關(guān)研究。