光栅局域调控二维光电探测器*

雷挺 吕伟明 吕文星 崔博垚 胡瑞 时文华† 曾中明

1) (中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 多功能材料与轻巧系统重点实验室, 苏州 215123)

2) (中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院, 合肥 230026)

1 引 言

二维材料[1]是指电子仅可在两个维度的纳米尺度(1—100 nm)上平面运动的材料.自从2004 年[2]石墨烯被发现以来, 有关二维材料的研究得到了科学界的广泛关注.由于石墨烯具有缺陷密度低、易实现大面积转移、制备成本低、比表面积大和载流子迁移率高等优异特性[3-5], 使它在高频光电探测器中得到了广泛的应用[6,7].但石墨烯具有的零带隙能带结构, 导致光生载流子寿命不高, 在光电探测应用方面受到了很大的限制.除了石墨烯外, 目前典型的二维材料还包括过渡金属硫化物(TMDs)[8,9]、黑磷(BP)[10,11]及六方氮化硼(h-BN)[12,13]等.由于它们具有多种电子能带结构, 涵盖了导体、半导体、绝缘体、半金属和超导体等范围, 使其光谱响应包含了从红外到可见光区域, 甚至到紫外光[14,15]区域.不仅如此, 二维材料中的载流子在纵向上易被局域场调控, 在横向输运载上流子可以被局域场大幅抑制, 可以实现高信噪比光电探测.同时, 局域场调控下的光电探测器具有超高的光增益, 可以得到超高的光响应度[16-18], 使得二维材料成为了光电探测材料中有力的竞争者.

随着光电信息技术的快速发展, 光电探测器已经成为日常生活中不可或缺的一部分, 包括环境监控、光通信、热成像及军事化应用[7,19]等……