华中科技大学叶镭 Nano Energy：基于黑磷-二硒化钨光栅垂直异质结的高灵敏偏振红外探测器

【引言】

红外成像系统在军事上的目标检测、夜视和精确打击等领域有着重要的作用，但在实际应用中往往有杂波的存在，所以作为红外成像系统的关键因素的光探测器的空间分辨率需要得到提高，增强彩色、强度和偏振信息的检测可以减少杂波并增强所需要的参数或对比度。此外，实现红外成像系统的高度集成度和灵活性也是国防现代化的趋势。但到目前为止，现有的光探测技术难以满足这些要求，许多设备在复杂的环境条件下不能达到高空间分辨率。尽管基于Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ族半导体的光电探测器可以实现精确的检测，但复杂的制造技术限制了其发展；新兴的具有偏振敏感的纳米线或碳纳米管材料可应用于光探测器开发中，但是也需要复杂的技术和设备进行图案化和对齐。

【成果简介】

5月3日，华中科技大学叶镭副研究员等人在Nano Energy在线发表最新研究成果“Highly polarization sensitive infrared photodetector based on black phosphorus-on-WSe2photogate vertical heterostructure”。该工作与中国科学院上海技术物理所胡伟达研究员和香港中文大学许建斌教授合作完成。叶镭副研究员为第一作者，胡伟达研究员和许建斌教授为通讯作者。

【本文亮点】

利用二维材料定点转移法，将具有偏振特性的黑磷转移到二硒化钨上，黑磷作为光栅极，而二硒化钨作为导电沟道，黑磷和二硒化钨间存在内建电场，提高了光生载流子的有效分离，并减少了分离的光生载流子的复合，从而实现了高灵敏度的可见-红外宽带光电探测。由于黑磷的强线性二色性以及这种垂直异质结构，光生载流子被内建电场分离后，可以各向同性地传输和收集，而且黑磷和二硒化钨的重叠区域的边缘的方向对所有偏振光的影响是一样的，这使得器件的红外偏振响应要优于传统的黑磷光探测器。

【图文导读】

图1. 黑磷-二硒化钨器件的电学表征

（a） 器件结构示意图；

（b） 在不同栅压下的Ids-Vds曲线；

（c） 漏极电压从-0.5 V到0.5V时的栅极可调Id-Vg转移曲线。

图2. 黑磷-二硒化钨光探测器的光电流

（a） 在不同光功率密度的可见光（637nm）的照射下的Iph-Vds曲线；

（b） 在不同光功率密度的红外光（1550 nm）的照射下的Iph-Vds曲线；

（c） 在可见光（637nm）和红外光（1550 nm）照射下的器件的能带示意图。

图3. 黑磷-二硒化钨光探测器的光电探测参数

（a） 在不同波长的入射光照射下的光响应R与漏极偏压Vds成函数关系；

（b） 在不同波长的入射光照射下的光增益与比探测率D*的依赖关系。

图4. 黑磷-二硒化钨光探测器的响应速度

（a） 在可见光（637nm）和红外光（1550 nm）照射下的时间分辨光响应；

（b） 器件的探测波长范围和响应时间与之前的类似工作的相关参数的比较；

图5. 黑磷-二硒化钨光探测器的红外偏振光响应

（a） 器件的光学图片以及相应的在不同偏振方向的红外光（1550 nm）照射下的光电流图片；

（b） 相应的光电流与入射光偏振方向的关系。

【总结与展望】

这项工作利用定点转移法制备了一个基于黑磷-二硒化钨光栅垂直异质结的高灵敏度偏振红外探测器。与常规的红外探测器相比，这种黑磷的光栅极结构实现了在室温下的宽带、高光响应度和弱信号探测的光探测，而且对红外偏振探测的高灵敏度的性能增强有重要的作用。这个工作首次直接将黑磷的本征宽带线性二色性及其光栅极结构结合起来，提供了一种新的利用二维材料实现相应的光探测器思路。这种二维材料光栅垂直异质结器件为室温工作的高分辨率红外成像系统的应用开辟了新的途径。

文献链接：Highly polarization sensitive infrared photodetector based on black phosphorus-on-WSe2photogate vertical heterostructure（Nano Energy, 2017, DOI：10.1016/j.nanoen.2017.05.004）

本文由华中科技大学叶镭副研究员投稿，特此感谢！材料牛整理编辑。

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