二维材料异质结构光电探测研究进展

　　摘要:二维材料异质结构是指两种或多种不同的二维材料(石墨烯、硫属化合物、黑磷等)紧密堆积构成的异质结，以及由二维材料与其他纳米材料或结构紧密接触所构成的复合结构。其具备了异质结构双方或多方所拥有的优异特性，表现出优异的电子、光学、光电特性，已引起了国内外的广泛关注。特别是在光电探测领域，近年来进展非常迅速。本文将主要介绍二维材料异质结构光探测器件的最新研究进展以及面临的问题，并对后期的发展前景进行了相关的讨论。

　　关键词:二维材料;异质结构;光电探测;电荷转移

　　1引言

　　半导体光电探测器是利用半导体材料内的光电效应来接收和探测光信号的器件，由于其在现代精密分析、测量和诊断仪器中是必不可少的部件，被称为光电器件系统的心脏。然而，常规的半导体光电探测器通常存在响应度低、探测波段窄、响应时间慢、分辨力不高、探测灵敏度低、工作环境要求高等单个或多个问题。所以，实际应用中，迫切的需要一种既能实现宽波段响应，又具备较高的响应度及响应速度，且能在常温下工作的红外光探测器件。

　　自从石墨烯被发现后，二维材料的家族成员不断壮大，MoS2等二维硫属化合物，BN，phosphorene，silicone，germanene等的出现使得二维材料也愈发多元化，其潜在的应用价值也不断被国内外科学家们所发掘。随着二维材料在光电探测器、激光器、发光二极管、太阳能电池等领域的迅速发展，二维材料异质结构也逐渐成为光电子领域的新起之秀，其内在特殊的物理现象也成为目前国际上科学研究的热点。

　　二维材料异质结构是指两种或多种不同的二维材料紧密堆积构成的异质结，以及由二维材料与其他纳米材料或结构紧密接触所构成的复合结构。由于构成异质结构的两种或多种材料具有不同的带隙、电学特性、掺杂类型、光学吸收及发光、介电常数、功函数等，异质结构能够表现出不同于单一材料的性能，以异质结构为主体的电子或光电子器件的性能也往往比单一材料制备的同类器件更加优越。

　　二维材料异质结构光电探测器由多种具有不同物理特性的二维材料或非二维材料接触所构成，表现出了优于单一半导体材料所构成的同类器件的性能，近年来在器件的设计、开发和性能改善方面都获得了极大的发展。

　　2二维材料异质结构光电探测

　　二维材料异质结构集成了多种材料的优点，取长补短，克服单一材料的缺陷，甚至会由于材料间独特的耦合机制而发挥出原有材料所不具备的新颖特性，有望能在光探测领域获得较大的突破，以满足以上所提出的实际应用需求。

　　2.1二维材料光电探测

　　自从石墨烯在2004年发现以来，二维材料种类不断增多，对二维材料的研究也不断深入，这些新颖的二维材料为高性能光电器件的设计和制备提供了新的机遇，特别在光电探测器方面[1]。但是这些新型的二维材料在弥补传统光电探测器缺点的同时也可能会带来新的不足。例如，石墨烯具备极高的载流子迁移率、非常好的低维热学及结构稳定性、超宽的光谱吸收范围，以及电子浓度的电场可调制性，被认为是极具潜力的电子或光电子材料，基于石墨烯的光电探测器的研究已成为科技前沿[2]。

　　但是石墨烯的零带隙结构使得其光学吸收不强、电子空穴对极易复合，导致器件响应度不高(<6mA/W)。科学家们纷纷将焦点聚集在二维材料异质结构[3-4]，因为其不仅能保留单一或多种二维材料的优越性能，而且由于材料之间独特的耦合机制可能会产生新颖的光电特性。

　　2.2二维材料异质结构

　　不同的二维材料性质各异，将他们有效的复合可发挥各自的优势，起到互补的作用。例如石墨烯+MoS2异质结充分发挥了石墨烯的高迁移率以及MoS2良好的光学吸收特性，在低温下响应度可达1×1010A/W。

　　除了让MoS2作为石墨烯探测器的吸收层，还可以利用材料功函数的差异制备P-N结，所形成的势垒能有效的将光致电子空穴对分离，使得器件性能得到极大的改善。常规的水平结构P-N结虽然可有效分离电子空穴对，但是结区有效作用面积小，ChangOhKim等人通过叠加极性不同的两层石墨烯获得了原子层厚度的垂直P-N结，极大的增加了结区面积，获得了高达1A/W的响应度，探测能力也达到了1012cmHz1/2W-1。

　　Chul-HoLee等人则选择两种掺杂类型不同的二维材料(p型的WSe2和n型的MoS2)制备成垂直P-N结并获得了优异的光电探测性能。这些异质结构器件无需外加偏压即可工作，大大降低了器件的功耗并提升了探测率。基于垂直方向的电子输运，在两层石墨烯中间插入一层材料作为分离层所形成的这类异质结也能极大的提高石墨烯探测器的性能。

　　在两层石墨烯中分别插入MoS2，WS2等光学功能二维材料，利用石墨烯费米面简单可调的特性使其作为可调谐电极，有效的分离中间TDMS材料所产生的光致电子空穴对，进而提高器件的响应度和量子效率[6]。

　　除了在石墨烯中间插入吸光材料，也可在其间插入介质层，Chang-HuaLiu等人在两层石墨烯中插入Ta2O5等材料作为隧穿层阻挡电子空穴对的复合，在中红外的响应度达1A/W，有效改善了石墨烯响应低的问题，更重要的是其探测范围从可见光到中红外波段(且具备高速响应)，展示了石墨烯在更宽波段的应用前景。

　　异质结探测器主要是用两种不同性质的材料构建器件以弥补单一材料光电特性的不足，必要时，也可复合三种或更多材料来更好的改善器件的性能。Gwan-HyoungLee等人在柔性衬底上以石墨烯为底栅，BN为介质层，制备了MoS2场效应管，不仅提升了MoS2的迁移率(达45cm2/Vs)，也在1.5%应力作用下测试获得了稳定的性能。这预示了异质结在柔性器件领域也有着广阔的应用前景。

　　2.3二维材料与其他材料的异质结构

　　石墨烯与传统光电材料硅的复合，对光电探测器的性能也有很大的改善，XiaohongAn等人将石墨烯叠加在n型掺杂硅上构成异质结，该探测器响应度约435mA/W，器件开关比达104，其光电转换效率>65%，而且工作波长从可见延伸到近红外。XuetaoGan及XiaomuWang等人将石墨烯与光学硅波导集成得到的异质结构在中红外(～2.75μm)的响应度达～0.1A/W，并获得超过20GHz的高速响应[7]，这也展示了石墨烯与目前的硅半导体工艺的高兼容性。另一种提高光吸收的途径就是利用表面等离激元效应。

　　YuanLiu等人在石墨烯上耦合一层金等离激元纳米结构，使得器件的响应度提高了15倍。另外也可在石墨烯上复合半导体量子点，利用量子点对光的高效吸收增加探测器的响应度。GerasimosKonstantatos课题组通过在石墨烯上复合PbS量子点，使探测器响应高达107A/W。在紫外光响应方面，HaixinChang等人利用石墨烯和ZnO纳米棒的异质结构首次制备了高灵敏紫外光电传感器，其紫外光响应度达22.7A/W。

　　尽管目前的很多研究已经有效提升了二维材料光探测器性能，但是仍然存在不少挑战，如不能同时兼具快速、宽波长响应及高灵敏度等特点。从当前研究现状来看，寻找新型异质结构材料、设计新原理器件将是解决以上问题的有效手段。

　　3总结

　　本文主要针对二维材料及其异质结构在光电探测领域的研究进展进行了讨论。二维材料在光电探测领域具有重要的应用优势，将其制备成异质结构或与其他传统材料相结合，更能发挥出优异的性能。然而，在该领域还存在着如下的问题，有待进一步解决。

　　(1)寻找合适的异质结材料:不同的二维材料具有截然不同的电子能带结构和光学、电学性质，通过计算模拟等手段在众多的二维材料中挑选出结构匹配、功能互补的两者或多者进行结合是本项目首先需要面对的关键问题。

　　(2)如何生长出大尺寸的异质结材料:在选择合适的异质结材料后，如何通过性能可靠的薄膜生长方法逐层的在特定衬底上生长大尺寸、高质量的异质结以满足工业化探测器的应用需求，是本项目所要解决的第二个关键问题。

　　(3)异质结的耦合机制是什么:异质结中不同二维材料的界面处必然存在着一定的相互作用。理解异质结材料间的耦合相互作用机制对于提升异质结光探测器件的性能以及设计新原理光探测器件至关重要。

　　(4)如何通过工艺的优化和器件结构设计来提升其光探测性能:器件的结构设计在原理上决定了其光探测器性能。另外，由于制备器件是一个复杂的过程，它会经历不同的环境，与不同的物质接触，每一个环节都会影响器件的最终探测性能，所以器件工艺优化是其良好性能的保障。

　　参考文献

　　[1]NovoselovKS，GeimAK，MorozovSV，etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms[J].Science，2004，306:666-669.

　　[2]BaiJ，NanH，QiH，etal.TheeffectofAunanoparticlesonthestrain-dependentelectricalpropertiesofCVDgrapheme[J].JournalofNanoparticleResearch，2018，20(3):69-74.

　　[3]WangWH，DuRX，GuoXT，etal.Interfacialamplificationforgraphenebasedposition-sensitive-detectors[J].Light:Science&Applications，2017，6:e17113.

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