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近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達、苗金水團隊與北京大學(xué)彭海琳團隊合作，提出將動(dòng)量匹配和能帶匹配（能動(dòng)量匹配）的范德華異質(zhì)結應用于紅外探測，結果表明該器件設計可顯著(zhù)提高二維材料紅外探測器量子效率，為研制高量子效率紅外探測器提供了新方法。相關(guān)研究成果以Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection為題，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

窄禁帶二維半導體具有層間范德華力任意堆疊成異質(zhì)結構、無(wú)表面懸掛鍵、暗電流極易被外場(chǎng)操控等優(yōu)點(diǎn)，為研制室溫、高靈敏紅外探測器提供了新機遇。然而，二維半導體原子級薄層特性限制了其高量子效率紅外探測器的應用。本研究創(chuàng )新性地將新型能動(dòng)量匹配范德華異質(zhì)結應用于紅外探測器技術(shù)。研究顯示，二維半導體Black phosphorus（BP）的價(jià)帶頂和Bi2O2Se的導帶底位于布里淵區的Γ點(diǎn)（圖1a），光生載流子在界面處能直接躍遷到BP和Bi2O2Se的導帶，提高了光生載流子的躍遷幾率和產(chǎn)生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ類(lèi)能帶結構（圖1b），進(jìn)而提高了光生載流子的收集效率。本研究制備的能動(dòng)量匹配BP/Bi2O2Se異質(zhì)結紅外探測器實(shí)現了與傳統材料紅外探測器相比擬的量子效率，在1.3 μm時(shí)量子效率達到84%，在2 μm時(shí)量子效率達到76.5%（圖1c）。此外，該BP/Bi2O2Se異質(zhì)結紅外探測器實(shí)現了較高的偏振特性，在短波紅外波段偏振比達到17（圖1d）。

圖1 動(dòng)量匹配與能帶匹配的范德華紅外探測器：

a、動(dòng)量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結能谷結構示意圖；

b、能帶匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結能帶結構示意圖；

c、能動(dòng)量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結紅外探測器的量子效率；

d、能動(dòng)量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結紅外探測器的偏振特性。

研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院、上海市自然科學(xué)基金的支持。