香港城市大学谭超良教授课题组《Adv. Funct. Mater.》综述：基于二维材料和纳米光子学的红外探测器

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二维材料凭借其独特的光电性能以及天然的原子尺度，在微纳光电子器件领域具备巨大的应用潜力。特别是在红外探测方向，基于传统II-VI或者III-V族合金建造的商用红外探测器通常面临生产成本高，建造工艺复杂，以及需要附加低温冷却装置降低探测噪音等问题，然而，受赐予其二维平面结构，能够产生红外响应的二维材料有望摆脱上述问题，替代传统三维合金材料来制备高性能红外探测器。因此，基于二维材料设计制备高性能红外探测器是一个非常有科学价值以及应用前景的研究课题。
近年来，研究者围绕将二维材料（例如石墨烯，过渡金属硫化物，黑磷和碲等）应用于红外探测器的制备这一研究领域开展了大量的研究工作。这些工作囊括了各种新型光敏半导体的生长表征，红外探测器的架构设计以及与微纳光子器件集成提升光电转换效率等多方面。基于此研究现状，近日，香港城市大学电机工程系谭超良教授课题组联合墨尔本大学电子工程系的James Bullock教授和Kenneth B. Crozier教授在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Infrared Photodetectors Based on 2D Materials and Nanophotonics”的综述文章（DOI: 10.1002/adfm.202111970）。该综述从用二维材料建造红外探测器的优势出发，对典型的可用于制备红外探测器的各类二维材料及其光电性质进行了分类讨论，并对基于二维材料制备的红外探测器的不同光电响应机理以及性能表征参数进行了阐述，同时围绕用微纳光电子器件增强二维材料的光电转换效率这一重要研究领域，作者也进行了细致的介绍。最后，综述文章对用二维材料建造红外探测器的最新代表性研究工作进行了总结，并且对此研究领域的未来发展进行了展望，也对一些关键性问题提出了自己的见解。 
图1. 相较于传统三维材料，基于二维材料建造红外探测器的优势。 
图2. 常见的具备红外响应的二维材料及其带宽。 
图3. 红外探测器探测机理示意图。图中，，和分别表示入射光子的能量，半导体沟道材料的带宽以及费米能级。a) 光电导效应示意图。上图表示暗场下，半导体沟道在外加偏压下产生的暗电流；下图表示光照条件下，由入射光子激发的光电流。b) 背栅光探晶体管示意图（左上）；负栅压条件下，光探晶体管能带弯曲示意图（右上）；正栅压条件下，光探晶体管能带弯曲示意图（左下）；光照条件下以及暗场环境中的沟道电流（右下）。c) 光栅效应示意图。上图表示暗场下，半导体沟道在外加偏压下产生的暗电流；下图表示光照下，半导体沟道在光栅效应调节下长产生的光电流。d) 受光敏材料覆盖的背栅光探晶体灌示意图（左上）；分别在零偏压下（右上），反向偏压下（左上），正向偏压下（右下），光照下，受光敏材料覆盖的背栅光探晶体管能带弯曲示意图；e) 光伏效应示意图。零偏压时，光照下，肖特基结（上图）和p–n结（下图）产生的内建电场能够有效分离光生载流子并产生光电流。f) 塞贝克效应示意图。在局域光照下，入射光子被塞贝克系数为的半导体材料的一端吸收后产生温度梯度并且以此在电极两端产生电势差。g) 光测辐射示意图。暗场下，由温敏材料制备的器件的温度为且其电阻为（上图）。全局照明下，(e)中的器件温度上升了并且电阻变化了（下图）。 
图4. 表面等离激元极化示意图。a) 在金属和介电材料界面传播的表面等离激元示意图。b) 传播的光波（PLW，浅蓝色）和电介质材料中传播的表面等离激元（SPW，红色）的色散关系。由色散关系可以看出，两者的动量是不匹配的。c) 空气中光线（浅蓝色），棱镜中光线（紫色），和表面等离激元（红色）的色散关系。由此可以看出，棱镜可以用来补偿空气中入射的光波和表面等离激元的动量不匹配。右插图由上到下分别表示用Kretschmann和Otto构型，以及用金属光栅和表面散射来实现空气中入射的光波和表面等离激元的动量匹配。d)金属纳米棒，金属球和金属环中的局域表面等离激元（LSPR）示意图。e) 铜金属棒的照片及其f) 消光谱。g) 不同尺寸的金纳米环具备不同的消光谱。h) 在石墨烯-介电材料-石墨烯结构中传播的等离激元示意图。 
图5. 用于增强二维材料光吸收的光学微腔和波段示意图。a) 法布里-珀罗（F-P）微腔示意图。二维材料在由布拉格镜形成的F-P微腔中。b) 由介电球形成的回音廊微腔示意图。c) 二维光子晶体微腔示意图。光场被局域在光子晶体的缺陷区域。d) 用于增强置于其上的二维材料光学吸收的光学微腔示意图。e) 二维材料对正入射光吸收示意图。二维材料与f) 凹槽波导，g) 硅槽波导，h) 光子晶体缺陷波导，i) 硫族化玻璃波导的集成示意图。 
图6. 基于石墨烯建造的红外探测器的代表性工作介绍。
 
图7. 基于二维半导体材料建造的红外探测器的代表性工作介绍。  
图8. 基于二维材料和感光层混合结构建造的红外探测器的代表性工作介绍。 
图9. 基于石墨烯和二维半导体材料范德华异质结建造的红外探测器的代表性工作介绍。 
图10. 基于二维半导体材料范德华异质结建造的红外探测器的代表性工作介绍。 
图11. 基于二维材料和零维，一维，三维材料形成的混合维异质结建造的红外探测器的代表性工作介绍。 
图12. 基于将二维材料和金属微纳结构集成建造的红外探测器的代表性工作介绍。
 
图13. 基于将二维材料和光学微腔集成建造的红外探测器的代表性工作介绍。
 
图14. 基于石墨烯等离激元建造的红外探测器的代表性工作介绍。
 
图15. 基于大尺寸二维材料建造的红外探测阵列的代表性工作介绍。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202111970

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