新型能動量匹配范德華異質結紅外探測器研究取得進展
【化工儀器網 項目成果】操控不同的原子一個個堆疊起來，得到想要的材料，這一直以來可能都是化學家的終極夢想之一。2004年，單原子厚度石墨烯的發現為這樣的夢想帶來了希望。隨著石墨烯等無懸掛鍵二維原子晶體的不斷發展，不同二維原子層可以借助弱范德華力按照特定順序堆疊在一起，構建具有原子級平整界面的各種異質結構，這種異質結構被稱為范德華異質結構。
范德華異質結通過相對較弱的范德華相互作用力物理組裝在一起，與傳統的半導體異質結相比，范德華異質結不依賴于化學鍵，也不受限于材料的晶格匹配度。原則上來說，如果對晶格相似性和加工兼容性沒有特殊要求，這種范德華異集成策略適用于任何材料，尤其是適用于具有不同晶體結構、不同電子特性、不同尺寸和維度的材料的柔性集成。
對現代電子學和光電子學而言，半導體異質結和超晶格為發展新型電子、光電器件提供了廣闊的的研究平臺。將具有完全不同的材料集成到一起構建全新的界面，是設計功能器件至關重要的一步，也是材料科學家長期以來的不懈追求。
窄禁帶二維半導體具有層間范德華力任意堆疊成異質結構、無表面懸掛鍵、暗電流極易被外場操控等優點，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。
近日，中國科學院上海技術物理研究所胡偉達、苗金水團隊與北京大學彭海琳團隊合作，提出將動量匹配和能帶匹配(能動量匹配)的范德華異質結應用于紅外探測。本研究創新性地將新型能動量匹配范德華異質結應用于紅外探測器技術。
研究顯示，二維半導體Black phosphorus(BP)的價帶頂和Bi2O2Se的導帶底位于布里淵區的Γ點，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生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ類能帶結構，進而提高了光生載流子的收集效率。本研究制備的能動量匹配BP/Bi2O2Se異質結紅外探測器實現了與傳統材料紅外探測器相比擬的量子效率，在1.3 μm時量子效率達到84%，在2 μm時量子效率達到76.5%。此外，該BP/Bi2O2Se異質結紅外探測器實現了較高的偏振特性，在短波紅外波段偏振比達到17。
結果表明該器件設計可顯著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。相關研究成果以Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection為題，發表在《科學進展》(Science Advances)上。
(資料來源：上海技術物理研究所)
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