南京大学Science advances: 基于黑砷磷的高灵敏室温中波红外光电探测

风之翼 7年前 (2017-07-05) 4624浏览

【引言】

近年来，中波红外在热成像、分子鉴定、自由空间通讯、光学雷达等方面获得越来越重要的应用，都要求器件在室温下具备高灵敏度。目前非制冷（室温）红外探测器的主流技术为热敏电阻式微辐射热计，但是器件比探测率偏低，响应时间慢，其核心技术也受到国外的封锁。

【成果简介】

针对这方面的技术挑战，在二维材料光电探测领域近年取得的若干研究进展基础上（Nano Lett. 16, 2254 (2016)；Adv. Func. Mater. 26, 1938 (2016).），南京大学物理学院缪峰教授课题组及科研合作团队利用新型窄带隙二维材料“黑砷磷”（b-AsP）及相关范德华异质结，成功实现了室温性能超越现有商用技术的高灵敏中波红外光电探测，为推动二维材料在红外探测领域的应用迈出重要一步。该工作以“Room temperature high-detectivity mid-infrared photodetectors based on black arsenic phosphorus”为题发表在Science子刊：《Science Advances》上。南京大学物理学院博士生龙明生和高安远为论文的共同贡献第一作者，缪峰教授、以及南大电子学院王肖沐教授和上海技术物理所胡伟达研究员为该论文的共同通讯作者。该工作的合作者还包括香港中文大学的许建斌教授、慕尼黑理工大学的Tom Nilges教授、上海技术物理研究所的陆卫研究员和陈效双研究员。

【图文导读】

图一、基于黑砷磷场效应器件中波红外光电响应及光电响应机制研究

(A) 黑砷磷样品的光吸收谱，插图：黑砷磷场效应器件的结构示意图；

(B) 黑砷磷场效应器件在无光照（黑色）及中波红外8.05 μm光照下（红色）的I-V曲线，蓝色为提取的光电流随偏置电压的变化关系。插图上：零偏压脉冲激光照射下器件随时间响应。插图下：一个典型黑砷磷场效应器件的光学显微镜照片；

(C) 黑砷磷场效应器件的光电流随偏压及栅压的变化关系；

(D) 不同偏压下光电流随栅压的变化关系；

(E) 黑砷磷场效应器件工作原理示意图。

图二、黑砷磷场效应器件的光学表征

(A)黑砷磷场效应器件的光响应率及量子效应随激发波长的变化关系；

(B) 黑砷磷场效应器件在中波红外4.034 μm的时间响应；

(C) 黑砷磷场效应器件的光响应率及量子效应随激光功率的变化关系，激发波长3.662 μm；

(D) 黑砷磷场效应器件的电学及光电响应的各向异性，光电测试的激发波长4.034 μm。

图三、黑砷磷场效应器件及b-AsP-MoS2异质结器件的噪声谱及灵敏度

(A) b-AsP-MoS2异质结光电探测器在光照及无光照时的I-V曲线，激光波长4.034 μm，插图：b-AsP-MoS2异质结光电探测器光学显微镜照片（标尺5μm）；

(B) 黑砷磷场效应器件及b-AsP-MoS2异质结器件零偏压下的噪声电流谱；

(C) 黑砷磷场效应器件及b-AsP-MoS2异质结器件的噪声等效功率；

(D) 室温下黑砷磷场效应器件及b-AsP-MoS2异质结光电探测器的比探测率与商用PbSe探测器及商用热敏电阻探测器的对比。

【小结】

这项工作选取了黑砷磷这样一种新型的窄带隙二维材料，制备了场效应光晶体管，在室温下观察到8.05μm中波红外的响应，成功进入红外的第二个大气窗口。通过对探测器工作机制进一步的系统研究，发现光伏效应和光热电效应分别在不同背栅下会起到主导的作用。为了克服窄带隙半导体室温下暗电流和噪声较大从而导致器件性能显著下降的挑战，利用二维材料定向转移的工艺，将不同掺杂的n型MoS2与b-As0.83P0.17堆叠在一起形成范德华异质节，有效降低了器件的暗电流和噪声，室温比探测率可高达5×109 Jones，比目前被广泛使用的PbSe红外探测器的峰值探测率高了近1个量级。该工作充分展示了基于窄带隙二维材料的范德华异质结在中波红外探测领域的巨大应用潜力。

论文链接：Room temperature high-detectivity mid-infrared photodetectors based on black arsenic phosphorus (Sci. Adv. 3, e1700589 (2017), DOI: 10.1126/sciadv.1700589)

本文由南京大学物理学院缪峰教授课题组投稿，材料牛整理编辑。

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