中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
隨著(zhù)現有社會(huì )的不斷發(fā)展，對光電探測器的需求不斷提高，但現有傳統材料探測器的發(fā)展已進(jìn)入瓶頸期，亟需新材料的出現，使光電探測器得到進(jìn)一步的發(fā)展。石墨烯等新型二維材料相比于傳統材料，具有可做成原子級尺寸、能帶可調、具有柔韌性等突出優(yōu)點(diǎn)?？蓾M(mǎn)足當今社會(huì )對光電探測器性能，尺寸等方面更高需求。因此二維材料光電探測器被廣泛研究，取得了豐碩的研究成果。然而二維材料光電探測器存在明顯優(yōu)勢的同時(shí)，也存在著(zhù)明顯的不足之處。這將限制其在更多領(lǐng)域的應用，需要通過(guò)一些手段進(jìn)一步優(yōu)化探測器的性能。
近期，華北光電技術(shù)研究所王成剛團隊在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“二維材料光電探測器及光場(chǎng)增強的研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。王成剛主要從事紅外光電器件方面的研究工作。該研究第一作者為華北光電技術(shù)研究所的李景峰。
這項研究著(zhù)重介紹現有二維光電探測器的研究進(jìn)展，并介紹通過(guò)超材料、諧振器等方式實(shí)現光場(chǎng)增強，從而提高探測器的性能。
常見(jiàn)二維材料制備的光電探測器主要有：石墨烯光電探測器、二硫化鉬光電探測器、具有各向異性的二維材料的光電探測器（二硫化錸、黑磷）。
石墨烯的結構是呈現蜂巢狀，由碳原子經(jīng)過(guò)sp2軌道雜化形成的，其中原子軌道呈現為平面三角形的結構。此外每個(gè)碳原子還有一個(gè)未參與雜化的p軌道，p軌道上的電子會(huì )形成一個(gè)離域的大π鍵，從而使電子更容易在石墨烯表面上自由運動(dòng)，這也是石墨烯具有超快載流子遷移率的原因之一。石墨烯的能帶結構在倒格子k空間中，可以得到狄拉克錐結構，因此純凈的石墨烯為電中性。通過(guò)對石墨烯費米能級的調控，很容易將石墨烯中多數載流子類(lèi)型調節成n型或p型，便于石墨烯應用于制備雙極性器件。由于石墨烯的色散關(guān)系（即波矢與能量的關(guān)系）是線(xiàn)性的，石墨烯可以表現出許多獨特的光電特性。
隨著(zhù)過(guò)渡族金屬硫族化合物制備成功，有效彌補了石墨烯光吸收弱這一缺點(diǎn)。因為過(guò)渡族金屬硫族化合物具有一定的帶隙，且一定程度上帶隙可以通過(guò)一些方式（例如：對材料施加應力的方式）進(jìn)行調控，使過(guò)渡族金屬硫族化合物制備的光電探測器在一些方面的性能參數會(huì )優(yōu)于石墨烯光電探測器。過(guò)渡族金屬硫族化合物是一類(lèi)二維材料的統稱(chēng)，其化學(xué)構成式具有統一的形式，即為MX2，二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）、二硒化鎢（WSe2）等是其中的代表材料。二硫化鉬塊體材料在自然界中主要存在于輝鉬礦里。二硫化鉬片層結構可以通過(guò)機械剝離，液相剝離的方式得到，也可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積方式生長(cháng)得到。二硫化鉬單層原子結構為三明治結構。利用二硫化鉬能帶結構可隨其層數變化而發(fā)生變化這一特點(diǎn)，可為光電探測器的制備提供多種選擇。
二硫化鉬光電探測器
光場(chǎng)增強二維材料光電探測器是增強二維材料光電探測器的重要手段。光場(chǎng)增強二維材料光電探測器的原理是將光增強吸收的結構置入到二維材料光電探測器中，增加入射光與二維材料溝道作用的次數，或是將光增強吸收的結構中吸收光產(chǎn)生的熱載流子導入到二維材料溝道之中，這種結構大部分是超材料結構。本研究中光場(chǎng)增強中主要是利用超材料的表面等離激元共振，F-P腔共振等原理產(chǎn)生強光吸收，使二維材料光電探測器不再受材料與光單次吸收光的吸收效率的影響。常見(jiàn)光場(chǎng)增強的結構有光波導、納米陣列、光柵、光學(xué)微腔等。目前主要通過(guò)在石墨烯光電探測器中置入金納米陣列、光學(xué)微腔等方式可以在特定波長(cháng)下，增強石墨烯光電探測器的光響應度，寬譜領(lǐng)域的探測研究還比較少。
光場(chǎng)增強二維材料光電探測器
本研究詳細介紹了二維材料光電探測器發(fā)展現狀，其經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，其在各波段探測都有了顯著(zhù)的研究進(jìn)展，成果豐碩。同時(shí)也需要通過(guò)一些手段，進(jìn)一步改善其性能。隨后介紹了通過(guò)光場(chǎng)增強的方式來(lái)增強石墨烯等二維材料光電探測器研究進(jìn)展，現階段研究實(shí)現了在特定波段的增強，但寬譜范圍探測增強研究還較少，需要加大寬譜光增強二維材料的研究，進(jìn)一步拓展二維材料光電探測器在寬譜探測領(lǐng)域的應用。
