翟天佑Small: 二維金屬硫族化物紅外光電探測器綜述

金也 4年前 (2019-05-31) 7184瀏覽

【引言】

紅外探測器廣泛應用于熱成像、生物成像、夜視儀和信息通訊等領域。根據探測波段，往往將紅外探測分為三個波段：近紅外（NIR,750 nm-3 μm），中紅外（MIR,3 μm-15 μm）和遠紅外（MIR,15 μm-1 mm）。目前，探測這三個不同波段需要用到不同技術。近紅外波段采用硅、鍺和銦鎵砷等傳統商用半導體材料，中紅外則往往采用窄帶隙半導體材料如硫化鉛、硒化鉛和碲鎘汞等，遠紅外則常采用熱傳感技術。以上傳統的紅外探測盡管已經相當成熟，但仍然面臨著一些問題，如：加工成本昂貴、工作條件苛刻（需要保持低溫）和含鉛、汞毒性元素等。此外，傳統半導體的小型化困難和低柔性也阻礙了其在可彎曲柔性光電子領域的具體應用。因此，迫切需要一種新型材料，它具有合適的帶隙、寬帶光譜范圍內的高吸收效率及高柔性，并且能夠利用節約型技術制備簡化、小型化和功能化的器件來實現紅外探測。

十多年來，二維材料憑借其優異的物理和物理化學特性，成為下一代電子和光電子器件的一個獨特而有前途的材料家族。原子層厚度的二維材料具有很高的機械靈活性和反彈性，為柔性和可彎曲探測器提供了機會。其自然鈍化的表面沒有懸掛鍵，使得其容易集成到任何基板上。此外，由于二維材料具有豐富的電子特性，其帶隙可以覆蓋紫外(UV)到太赫茲頻率(THz, 10¹²赫茲)波譜范圍。二維金屬硫族化合物（2DMCs）廣泛應用于紅外探測領域，展現了高響應度、高探測度、偏振敏感探測、響應速度快以及靈活性等優點。同時，基于2DMCs的雜化異質結也展現出優異的紅外探測性能，例如，響應度高達10⁶A W^-1的MoS₂/HgTe器件，探測度高達10¹⁶Jones的WSe₂/In₂O₃器件以及探測波段可達3.5μm的Bi₂Se₃/Graphene器件等。這類通過物理/化學氣相沉積法和機械剝離法制備的二維光電探測器件具有較低的暗電流，使得這類紅外探測器可以在室溫下進行工作（不需要使用液氮降溫），這降低了傳統紅外探測器面臨的復雜工作條件帶來的限制。得益于這些卓越的特性，2DMCs紅外光電探測器彌補了目前傳統紅外光電探測技術的不足，并且有望實現高性能的紅外光電探測器。

【成果簡介】

基于2DMCs紅外光電探測的研究進展，華中科技大學翟天佑教授（通訊作者）等人對此進行了細致的梳理，并且在Small上發表題目為“2D Metal Chalcogenides for IR Photodetection”的綜述文章。該綜述首先介紹了光電探測器的光電流產生物理機制和主要性能參數。隨后對各類2DMCs紅外光電探測材料進行了匯總，包括過渡金屬硫族化物和IIIA、IVA和VA硫族化合物等。進一步介紹了2DMCs雜化異質結在紅外光電探測的研究進展。根據上述分類，總結了基于2DMCs的紅外探測器，并對紅外探測技術的發展方向進行了展望。

【圖文簡介】

圖1 2DMCs材料體系與雜化異質結

圖2 光電探測器類型與基本原理分類

圖3 MoS₂ 基紅外探測器

(a) MoS₂ 基光電晶體管結構；

(b) MoS₂ 基光電探測器在980nm、1550nm波長處的光響應行為；

(d) 基于三層MoS₂的鐵電光電晶體管的響應度隨入射波長的變化。

圖4 其它TMDs基紅外光電探測器

(a) 3R-MoTe₂光電探測器響應譜；

(b) 3R-MoTe₂光電探測器不同光功率下的I-V曲線；

(d) 雙層PtSe₂在不同光波長下的I-t響應曲線。

圖5 IIIA、IVA和VA金屬硫族化合物基紅外探測器

(a) β-In₂S₃紅外探測器的光譜響應曲線；

(b) β-In₂S₃紅外探測器對不同光波長的響應行為；

(d) GeSe光電探測器的偏振光電流；

(e) Bi₂Se₃光電探測器在不同溫度下的響應度和探測度；

(f) Bi₂Se₃光電探測器在不同溫度下的I-t響應曲線。

圖6 2D三元金屬硫族化物紅外探測器

(a) 2D Ta₂NiSe₅的晶體結構；

(b) 2D Ta₂NiSe₅光電探測器在808nm激光下的的I-V曲線；

(d) 2D Bi₂O₂Se光電探測器在1200nm和1550nm波長下的響應度。

圖7 2DMCs/0D QDs or NPs雜化異質結紅外光電探測

(a) 稀土上轉換納米顆粒(UCNPs)/MoS₂光電探測器結構示意圖；

(b) 2D MoS₂/0D UCNPs光電探測器在980nm光電響應特性；

(d) MoS₂/TiO₂/HgTe雜化光電探測器在不同波長下的響應度。

圖8 2D WSe₂/1D In₂O₃異質結紅外探測

(a) 2D WSe₂/1D In₂O₃異質結紅外探測的結構；

(b) 2D WSe₂/1D In₂O₃異質結紅外探測在不同光強下的響應度和探測度。

圖9 2DMCs/2D納米結構紅外光電探測

(a) 原子層厚度WSe₂/Graphene/MoS₂光伏型光電探測器結構示意圖；

(b) WSe₂/Graphene/MoS₂光電探測器的寬光譜響應；

(d) WS₂/MoS₂異質結光電探測器在不同波長下的I-V曲線。

圖10 2D Bi₂Se₃/3D Si半導體異質結光電探測器

(a) 2D Bi₂Se₃/3D Si光電探測器的結構；

(b) 2D Bi₂Se₃/3D Si光電探測器的I-t響應曲線。

【小結】

? 該綜述詳細匯總了近些年2DMCs在紅外光電探測器的研究進展，從2DMCs材料種類以及不同類型的2DMCs異質結器件進行分類闡述。

文獻鏈接：2D Metal Chalcogenides for IR Photodetection, 2019, Small, DOI:10.1002/smll.201901347.

【團隊介紹】

翟天佑，華中科技大學材料科學與工程學院教授/博士生導師，材料成形與模具技術國家重點實驗室副主任/首席教授，國家杰出青年基金獲得者，科技部中青年科技創新領軍人才，全球高被引科學家，英國皇家化學會會士，國家優秀青年基金獲得者，曾獲國家自然科學二等獎（5/5），中國化學會青年化學獎和湖北省青年五四獎章。2003年本科畢業于鄭州大學化學系，2008年博士畢業于中國科學院化學研究所，師從姚建年院士。2008-2012年在日本物質材料研究機構先后任JSPS博士后(合作導師Yoshio Bando教授)和ICYS研究員。主要從事二維材料與光電器件方面的研究，以第一或通訊作者身份在Chem. Soc. Rev. (2), Adv. Mater. (20), Angew. Chem. Int. Ed. (3), JACS (2), Nat. Commun. (1), Adv. Funct. Mater. (24), ACS Nano (5)等期刊上發表論文160余篇(74篇IF>10，128篇IF>5)，所有論文SCI期刊引用近12000次，H因子58。主持編纂英文專著1本，受邀撰寫兩本專著中的5章；申請中國和日本專利15項，授權6項；先后擔任Science Bulletin和 Frontiers in Chemistry副主編，《科學通報》、《無機材料學報》、《無機化學學報》編委。擔任中國化學會青年化學工作委員會委員，中國材料研究學會青年委員會理事和納米材料與器件分會理事，中國電子學會半導體科技青年專委會委員等。

課題組鏈接：http://zml.mat.hust.edu.cn

本文由金也編譯供稿。

標簽：紅外光電探測器