隨著現(xiàn)有社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)光電探測(cè)器的需求不斷提高，但現(xiàn)有傳統(tǒng)材料探測(cè)器的發(fā)展已進(jìn)入瓶頸期，亟需新材料的出現(xiàn)，使光電探測(cè)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(tǒng)材料，具有可做成原子級(jí)尺寸、能帶可調(diào)、具有柔韌性等突出優(yōu)點(diǎn)?？蓾M足當(dāng)今社會(huì)對(duì)光電探測(cè)器性能，尺寸等方面更高需求。因此二維材料光電探測(cè)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(cè)器存在明顯優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也存在著明顯的不足之處。這將限制其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，需要通過(guò)一些手段進(jìn)一步優(yōu)化探測(cè)器的性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所王成剛團(tuán)隊(duì)在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“二維材料光電探測(cè)器及光場(chǎng)增強(qiáng)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(xiàng)研究著重介紹現(xiàn)有二維光電探測(cè)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(xiàn)光場(chǎng)增強(qiáng)，從而提高探測(cè)器的性能。

常見(jiàn)二維材料制備的光電探測(cè)器主要有：石墨烯光電探測(cè)器、二硫化鉬光電探測(cè)器、具有各向異性的二維材料的光電探測(cè)器（二硫化錸、黑磷）。

石墨烯的結(jié)構(gòu)是呈現(xiàn)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(xiàn)為平面三角形的結(jié)構(gòu)。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(yùn)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(jié)構(gòu)在倒格子k空間中，可以得到狄拉克錐結(jié)構(gòu)，因此純凈的石墨烯為電中性。通過(guò)對(duì)石墨烯費(fèi)米能級(jí)的調(diào)控，很容易將石墨烯中多數(shù)載流子類型調(diào)節(jié)成n型或p型，便于石墨烯應(yīng)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）是線性的，石墨烯可以表現(xiàn)出許多獨(dú)特的光電特性。

石墨烯光電探測(cè)器

隨著過(guò)渡族金屬硫族化合物制備成功，有效彌補(bǔ)了石墨烯光吸收弱這一缺點(diǎn)。因?yàn)檫^(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(duì)材料施加應(yīng)力的方式）進(jìn)行調(diào)控，使過(guò)渡族金屬硫族化合物制備的光電探測(cè)器在一些方面的性能參數(shù)會(huì)優(yōu)于石墨烯光電探測(cè)器。過(guò)渡族金屬硫族化合物是一類二維材料的統(tǒng)稱，其化學(xué)構(gòu)成式具有統(tǒng)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(jié)構(gòu)可以通過(guò)機(jī)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(zhǎng)得到。二硫化鉬單層原子結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)。利用二硫化鉬能帶結(jié)構(gòu)可隨其層數(shù)變化而發(fā)生變化這一特點(diǎn)，可為光電探測(cè)器的制備提供多種選擇。

二硫化鉬光電探測(cè)器

光場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器是增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的重要手段。光場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的原理是將光增強(qiáng)吸收的結(jié)構(gòu)置入到二維材料光電探測(cè)器中，增加入射光與二維材料溝道作用的次數(shù)，或是將光增強(qiáng)吸收的結(jié)構(gòu)中吸收光產(chǎn)生的熱載流子導(dǎo)入到二維材料溝道之中，這種結(jié)構(gòu)大部分是超材料結(jié)構(gòu)。本研究中光場(chǎng)增強(qiáng)中主要是利用超材料的表面等離激元共振，F(xiàn)-P腔共振等原理產(chǎn)生強(qiáng)光吸收，使二維材料光電探測(cè)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(qiáng)的結(jié)構(gòu)有光波導(dǎo)、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(cè)器中置入金納米陣列、光學(xué)微腔等方式可以在特定波長(zhǎng)下，增強(qiáng)石墨烯光電探測(cè)器的光響應(yīng)度，寬譜領(lǐng)域的探測(cè)研究還比較少。

光場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器

本研究詳細(xì)介紹了二維材料光電探測(cè)器發(fā)展現(xiàn)狀，其經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，其在各波段探測(cè)都有了顯著的研究進(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(qiáng)的方式來(lái)增強(qiáng)石墨烯等二維材料光電探測(cè)器研究進(jìn)展，現(xiàn)階段研究實(shí)現(xiàn)了在特定波段的增強(qiáng)，但寬譜范圍探測(cè)增強(qiáng)研究還較少，需要加大寬譜光增強(qiáng)二維材料的研究，進(jìn)一步拓展二維材料光電探測(cè)器在寬譜探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩