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新型能動量匹配范德華異質(zhì)結(jié)紅外探測器研究取得進展
2022年08月12日 11:39:44
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點擊量：4130
近日，中國科學院上海技術(shù)物理研究所胡偉達、苗金水團隊與北京大學彭海琳團隊合作，提出將動量匹配和能帶匹配(能動量匹配)的范德華異質(zhì)結(jié)應用于紅外探測。本研究創(chuàng)新性地將新型能動量匹配范德華異質(zhì)結(jié)應用于紅外探測器技術(shù)。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】操控不同的原子一個個堆疊起來，得到想要的材料，這一直以來可能都是化學家的終極夢想之一。2004年，單原子厚度石墨烯的發(fā)現(xiàn)為這樣的夢想帶來了希望。隨著石墨烯等無懸掛鍵二維原子晶體的不斷發(fā)展，不同二維原子層可以借助弱范德華力按照特定順序堆疊在一起，構(gòu)建具有原子級平整界面的各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)被稱為范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
范德華異質(zhì)結(jié)通過相對較弱的范德華相互作用力物理組裝在一起，與傳統(tǒng)的半導體異質(zhì)結(jié)相比，范德華異質(zhì)結(jié)不依賴于化學鍵，也不受限于材料的晶格匹配度。原則上來說，如果對晶格相似性和加工兼容性沒有特殊要求，這種范德華異集成策略適用于任何材料，尤其是適用于具有不同晶體結(jié)構(gòu)、不同電子特性、不同尺寸和維度的材料的柔性集成。
對現(xiàn)代電子學和光電子學而言，半導體異質(zhì)結(jié)和超晶格為發(fā)展新型電子、光電器件提供了廣闊的的研究平臺。將具有完全不同的材料集成到一起構(gòu)建全新的界面，是設計功能器件至關(guān)重要的一步，也是材料科學家長期以來的不懈追求。
窄禁帶二維半導體具有層間范德華力任意堆疊成異質(zhì)結(jié)構(gòu)、無表面懸掛鍵、暗電流極易被外場操控等優(yōu)點，為研制室溫、高靈敏紅外探測器提供了新機遇。然而，二維半導體原子級薄層特性限制了其高量子效率紅外探測器的應用。
近日，中國科學院上海技術(shù)物理研究所胡偉達、苗金水團隊與北京大學彭海琳團隊合作，提出將動量匹配和能帶匹配(能動量匹配)的范德華異質(zhì)結(jié)應用于紅外探測。本研究創(chuàng)新性地將新型能動量匹配范德華異質(zhì)結(jié)應用于紅外探測器技術(shù)。
研究顯示，二維半導體Black phosphorus(BP)的價帶頂和Bi2O2Se的導帶底位于布里淵區(qū)的Γ點，光生載流子在界面處能直接躍遷到BP和Bi2O2Se的導帶，提高了光生載流子的躍遷幾率和產(chǎn)生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ類能帶結(jié)構(gòu)，進而提高了光生載流子的收集效率。本研究制備的能動量匹配BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器實現(xiàn)了與傳統(tǒng)材料紅外探測器相比擬的量子效率，在1.3 μm時量子效率達到84%，在2 μm時量子效率達到76.5%。此外，該BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器實現(xiàn)了較高的偏振特性，在短波紅外波段偏振比達到17。
結(jié)果表明該器件設計可顯著提高二維材料紅外探測器量子效率，為研制高量子效率紅外探測器提供了新方法。相關(guān)研究成果以Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection為題，發(fā)表在《科學進展》(Science Advances)上。
(資料來源：上海技術(shù)物理研究所)
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