继Nat. Nanotech.后北京大学彭海琳&刘开辉再度合作Nature子刊:新型的超快高敏二维红外探测器

【引言】

近年来，二维材料以其独特的电子结构、极端的维度限域以及光-物质的强作用等特点为下一代红外探测提供了新型的材料平台。理想的红外探测器不仅需要同时具备快速响应和高度灵敏的能力，面向实际应用时还要求沟道材料具有良好的空气稳定性。然而，现有的二维材料如石墨烯虽然显示出高速光电响应能力，但是灵敏度较低；而黑磷虽然具备红外探测能力，但其稳定性比较差。因此，寻找更加契合红外探测应用的二维层状材料依然是一项不小的挑战。

【成果简介】

北京大学的彭海琳教授以及刘开辉研究员（共同通讯作者）等人合作开发了一种基于硒氧化铋（Bi₂O₂Se）晶体的新型原型近红外探测器。硒氧化铋是彭海琳课题组与合作者近年来新发现的一类同时具有高电子迁移率、合适带隙、环境稳定和可批量化制备等特点的二维半导体材料（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett. 2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060）。该晶体化合物由氧化铋（Bi₂O₂）和硒层交替堆叠而成，加之晶格中氧的存在，使其在空气中可以相当稳定的存在。在这一晶体材料的基础上开发的原型光电探测器具有从可见光到1700nm短波红外区的超宽光谱响应，与此同时，器件在近红外二区的灵敏度可高达65A/W左右，展现出了优异的灵敏性。此外，利用飞秒激光器组建的超快光电流动态扫描则显示了该种探测器具有约1皮秒的超快光电流响应时间，进一步证明了硒氧化铋二维晶体在红外探测应用的前景。2018年8月17日，相关成果以题为“Ultrafast and highly sensitive infrared photodetectors based on two-dimensional oxyselenide crystals”在线发表在Nature Communications上。

【图文导读】

图1 基于二维硒氧化铋的光电探测器

(a)二维硒氧化铋晶体结构示意图（氧化铋和硒层交替堆叠）

(b)通过角分辨光电子能谱（ARPES）可观测到具有超小电子有效质量（~0.14m₀）和带隙（~0.8eV）的硒氧化铋电子能带结构

(c)二维硒氧化铋器件的光学图像

(d)二维硒氧化铋器件中的扫描光电压图像（c图虚框区域）

(e)d图虚线区域的光电压线扫图像

(f)不同入射光子能量下的光电压线扫光谱图

(g)硒氧化铋的光吸收强度和光电压与入射光子能量的关系

图2二维硒氧化铋的光响应性能

(a)在1200nm和1500nm波长处的光响应性能

(b)在1200nm波长处光响应性能与输入功率以及偏压的相关性

(c)基于不同二维材料（硒氧化铋、石墨烯、黑磷和过渡金属硫化物）的光电探测器的本征响应性能比较

图3 二维硒氧化铋光电探测器的时间分辨光电流能谱

(a)超快脉冲间的光电流与延迟时间的函数关系

(b)不同泵浦功率下的硒氧化铋光电探测器的本征响应时间

图4 二维柔性硒氧化铋光电探测器阵列

(a)柔性基底上二维硒氧化铋光电探测器及其阵列

(b)二维硒氧化铋光电探测器可在空气中维持至少5周的稳定光响应性能

(c)单像素成像过程示意图

(d)二维硒氧化铋单像素光电探测器拍摄的室温红外图像

(e)二维硒氧化铋光电探测器多像素阵列的光学图像

(f)阵列的各像素点在不同工作波长（可见光-短波红外）下协同成像及光电流绘制

【小结】

通过在成像平面上扫描，该项研究展示了利用二维硒氧化铋光电探测器可实现室温下高分辨率红外成像。硒氧化铋光电探测器阵列还具备协同成像能力，从而为多像素扫描成像奠定基础。这一成像能力结合高灵敏度、超快光响应时间以及优异的化学稳定性，使得二维硒氧化铋具备成为新型红外探测器材料平台的应用前景。

文献链接：Ultrafast and highly sensitive infrared photodetectors based on two-dimensional oxyselenide crystals（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05874-2）

北京大学彭海琳教授和刘开辉研究员为该工作的共同通讯作者，该工作的合作者还包括牛津大学陈宇林教授和南京大学袁洪涛教授（如图）以及北京大学刘忠范教授。尹建波博士、谈振军、洪浩及吴金雄博士为文章并列第一作者。该工作得到了来自科技部和国家自然科学基金委等项目的资助。

彭海琳教授、刘开辉研究员、陈宇林教授、袁洪涛教授的合影

课题组介绍：

彭海琳，北京大学博雅特聘教授、博士生导师、国家杰出青年基金获得者。主要从事高迁移率二维材料(石墨烯、拓扑绝缘体、金属硫氧族材料)的制备科学及器件应用研究。建立了拓扑绝缘体二维结构的可控生长方法，实现了首例拓扑绝缘体二维阵列的制备，首次观测到拓扑绝缘体的AB量子干涉效应，并开创了拓扑绝缘体在柔性透明电极的应用；设计并制备了一类全新的超高迁移率二维硒氧族半导体芯片材料；建立了精确调控石墨烯结构的范德华外延、限域“分子流”、持续氧辅助等一系列生长方法，创造了石墨烯单晶生长速度的世界纪录，实现了4英寸无褶皱石墨烯单晶晶圆、大面积石墨烯薄膜的连续批量制备和绿色无损转移，实现了旋转双层石墨烯光电器件研制、单晶石墨烯PN结的调制掺杂和“光热电”机制的高效能量转换。已发表论文150余篇（Science和Nature子刊17篇，JACS/Nano Lett./Adv. Mater./PRL 50余篇），被他引逾10000次，申请/授权专利40余项。2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2012年获批国家首批优秀青年基金，2012年入选中组部“万人计划”首批青年拔尖人才，2014年任国家973计划青年科学家项目首席科学家，2015年获国家杰出青年科学基金，并荣获2017年国家自然科学二等奖、第二十届茅以升北京青年科技奖、2017年Small青年科学家创新奖、2017年MRS Singapore ICON-2DMAT Young Scientist Award等奖励。在国际及双边重要学术会议上做邀请报告40余次。（课题组网页: http://www.chem.pku.edu.cn/hp）

刘开辉，北京大学博雅青年学者，物理学院研究员、课题组长、博士生导师、中组部“青年千人”、基金委“优青”、国家重点研发计划课题负责人。主要从事轻元素二维单晶材料原子制造和百飞秒原子级高精度表征研究，在米级单晶石墨烯超快外延制备、单个碳纳米高通量偏振光学显微技术、原位球差电镜和纳米光谱学结合技术开发、低维材料层间耦合物理研究方向取得了多项创新性成果。发表科研论文80余篇（54篇IF>7），第一/通讯作者40余篇包括Nature Nanotechnology (3篇)、Nature Physics、Nature Communications (5篇)、Advanced Materials (5篇)、PNAS、JACS (2篇)、Nano Letters (4篇)、Chem Rev Soc；申请专利22项，授权8项。目前担任全国材料新技术发展研究会理事，Science Bulletin 副主编，IOP Nano Futures和Nanotechnology杂志编委。曾获北京市科学技术一等奖（2009）和三等奖（2017）、中国十大科技新锐人物（2016）、北京市优秀人才青年拔尖个人（2017）、北京大学“黄廷芳/信和青年杰出学者奖”（2017）、北京大学“本科生科研优秀指导教师”（2017）等奖项。在国际及双边重要学术会议上做邀请报告20余次。（课题组主页：http://www.phy.pku.edu.cn/~khliu/chs_home.html）

本文由材料人学术组NanoCJ供稿，材料牛编辑整理。

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