具有被動工作、不受天氣干擾等優(yōu)勢，紅外光電探測器已成為眾多軍用設(shè)備的“眼睛”，并在工業(yè)、醫(yī)學、氣象等領(lǐng)域占據(jù)了越來越重要的位置。從地球資源勘測、天氣預(yù)報到體溫檢測及新冠篩查，紅外技術(shù)被更加廣泛地應(yīng)用于人類生活的方方面面。

目前常用的紅外光電探測器材料有碲鎘汞、銻化銦、Ⅱ類超晶格等。其中，碲鎘汞紅外光電探測器由于量子效率高、波長易控等優(yōu)點成為紅外光電探測器的主流選擇。然而，碲鎘汞的固有缺陷和長波難控制等缺點難以避免，瓶頸問題難以突破。為滿足光電探測器高性能、低成本的發(fā)展需求，一些研究者通過開發(fā)新的材料體系來制備新型紅外光電探測器（如零維、二維材料光電探測器），從而實現(xiàn)能帶剪裁并在特定領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，華北光電技術(shù)研究所牛佳佳等人在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“基于低維材料的光電探測器的發(fā)展”為主題的綜述文章。牛佳佳主要從事紅外材料研究與測試工作。

這項研究介紹了具有代表性的量子點、石墨烯、過渡金屬硫化物和黑磷等新型探測器材料的基本結(jié)構(gòu)、特點以及發(fā)展現(xiàn)狀，并就未來發(fā)展方向和應(yīng)用領(lǐng)域進行了預(yù)測。

基于零維材料的光電探測器：量子點探測器的主體結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，發(fā)射極和收集極均為重摻雜層，勢壘層之間堆疊二維量子點陣列。量子點探測器主要分為PIN結(jié)構(gòu)量子點探測器、CMOS結(jié)構(gòu)量子點探測器、雪崩二極管量子點探測器和膠體量子點紅外光電探測器等。新興的膠體量子點探測器研究主要針對光電二極管、光電導體和場效應(yīng)光電晶體管。主要應(yīng)用的材料包括硫化鎘（CdS）、硫化鉛（PbS）和二硫化鉬（MoS2）等。制備方法主要包括水熱法、氣相合成法、溶膠－凝膠法、微乳液法、熱注入法和連續(xù)離子層吸附法。上述方法各有利弊，反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、靶材選擇、合成的難易程度等都會影響材料及器件的性能。

（a）量子點探測器的原理圖；（b）基于光電導體的膠體量子點探測器的原理圖；（c）基于光電二極管的膠體量子點探測器的原理圖；（d）基于場效應(yīng)光電晶體管的膠體量子點探測器的原理圖

基于二維材料的光電探測器：目前的二維材料探測器大多采用以下三種工作機理：光導效應(yīng)、光柵壓效應(yīng)和光伏效應(yīng)。與經(jīng)典的半導體材料相比，二維材料易于調(diào)控，主要表現(xiàn)在四個方面：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力調(diào)控。（2）帶隙可調(diào)。（3）柵壓可調(diào)。（4）摻雜可調(diào)控。

三種光電轉(zhuǎn)換機理對應(yīng)的能帶圖和典型光電特性

石墨烯是最早大范圍應(yīng)用于探測器的二維材料之一。由于電子在二維平面內(nèi)不受縱向力的限制，可以自由移動，因此石墨烯具有良好的導電性。石墨烯是一種優(yōu)良的探測器核心材料。與傳統(tǒng)的半導體材料（如GaAs等）相比，單層石墨烯對光的顯著吸收率使其飽和強度更低、光載流子密度更高。

（a）多維度碳材料結(jié)構(gòu)圖；（b）金屬、石墨烯、金屬型石墨烯光電探測器的結(jié)構(gòu)圖

過渡金屬硫化物（MX2）探測器中，超薄二硫化鉬（MoS2）是過渡金屬硫化物半導體材料的典型材料之一。MoS2的光響應(yīng)范圍較廣，但在紅外波段的光響度特別低。

二硫化鉬光電探測器

黑磷（BP）是一種不同于石墨烯和過渡金屬硫化物的二維光電材料。超薄BP在近紅外和可見光波段都具有較好的光電響應(yīng)，近幾年，BP的探測范圍能達到中紅外波段。BP成為新型光電探測器的潛力材料之一。

（a）自支撐BP柔性光電探測器；（b）InP量子點/黑磷探測器；（c）六方氮化硼（hBN）/黑砷磷/ hBN探測器

這項研究系統(tǒng)介紹了紅外光電探測器中零維和二維材料的原子結(jié)構(gòu)和能帶特點，總結(jié)了新型探測器的研究現(xiàn)狀和性能優(yōu)化方向。量子點探測器具有抗輻射和高探測度的特點，未來主要應(yīng)用于空間領(lǐng)域。二維材料主要采用光導效應(yīng)、光柵壓效應(yīng)、光伏效應(yīng)等三種光電轉(zhuǎn)換機理，主要材料是以石墨烯、MoS2為代表的過渡金屬硫化物和BP。系統(tǒng)介紹了三種材料的能帶體系、材料制備、器件工藝以及后續(xù)發(fā)展方向。低維材料光電探測器的理論性能優(yōu)良，但受限于目前的材料制備和器件工藝，其性能仍需要提升。未來經(jīng)過發(fā)展，高性能、低成本的紅外光電探測器將會滿足不同領(lǐng)域的需求。

編輯：黃飛

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