新型能动量匹配范德华异质结红外探测器研究取得进展

　　【化工仪器网 项目成果】操控不同的原子一个个堆叠起来，得到想要的材料，这一直以来可能都是化学家的终极梦想之一。2004年，单原子厚度石墨烯的发现为这样的梦想带来了希望。随着石墨烯等无悬挂键二维原子晶体的不断发展，不同二维原子层可以借助弱范德华力按照特定顺序堆叠在一起，构建具有原子级平整界面的各种异质结构，这种异质结构被称为范德华异质结构。
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　　范德华异质结通过相对较弱的范德华相互作用力物理组装在一起，与传统的半导体异质结相比，范德华异质结不依赖于化学键，也不受限于材料的晶格匹配度。原则上来说，如果对晶格相似性和加工兼容性没有特殊要求，这种范德华异集成策略适用于任何材料，尤其是适用于具有不同晶体结构、不同电子特性、不同尺寸和维度的材料的柔性集成。
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　　对现代电子学和光电子学而言，半导体异质结和超晶格为发展新型电子、光电器件提供了广阔的的研究平台。将具有完全不同的材料集成到一起构建全新的界面，是设计功能器件至关重要的一步，也是材料科学家长期以来的不懈追求。
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　　窄禁带二维半导体具有层间范德华力任意堆叠成异质结构、无表面悬挂键、暗电流极易被外场操控等优点，为研制室温、高灵敏红外探测器提供了新机遇。然而，二维半导体原子级薄层特性限制了其高量子效率红外探测器的应用。
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　　近日，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达、苗金水团队与北京大学彭海琳团队合作，提出将动量匹配和能带匹配(能动量匹配)的范德华异质结应用于红外探测。本研究创新性地将新型能动量匹配范德华异质结应用于红外探测器技术。
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　　研究显示，二维半导体Black phosphorus(BP)的价带顶和Bi2O2Se的导带底位于布里渊区的Γ点，光生载流子在界面处能直接跃迁到BP和Bi2O2Se的导带，提高了光生载流子的跃迁几率和产生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ类能带结构，进而提高了光生载流子的收集效率。本研究制备的能动量匹配BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了与传统材料红外探测器相比拟的量子效率，在1.3 μm时量子效率达到84%，在2 μm时量子效率达到76.5%。此外，该BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了较高的偏振特性，在短波红外波段偏振比达到17。
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　　结果表明该器件设计可显著提高二维材料红外探测器量子效率，为研制高量子效率红外探测器提供了新方法。相关研究成果以Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection为题，发表在《科学进展》(Science Advances)上。
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　　(资料来源：上海技术物理研究所)