Nano Res.│用于中红外探测的低维材料
背景介绍
中红外检测器通常在3-5μm和8-14μm波长范围内工作，对应于如图1所示的大气透射窗口，其在遥感，成像和检测等军事，商业和医学领域具有广泛的应用，例如感应飞行器（飞机和导弹）的尾焰，夜间成像和探测人体温度。传统的中红外探测器中使用的材料是化合物半导体，例如PbSe，HgCdTe和InGaAs，它们在与CMOS工艺集成方面面临挑战，通常会导致终端设备体积较大。近来，具有窄或零带隙的低维材料，即二维和准一维材料已经成为中红外检测的有希望的候选者。比如，石墨烯是一种无带隙的二维材料，可让光电探测器覆盖整个红外波段。然而，由于相对弱的光吸收和大的暗电流，使基于石墨烯的中红外检测器的性能受到了限制。
低维半导体，例如黑磷（BP），黑砷磷（b-AsP），碲烯（Te）和BaTiS3（BTS），可以使中红外探测器具有高响应率和探测率。由于其层状的范德华晶格形成的无悬挂键的材料表面，这些材料中的大多数都可以轻松地与硅平台集成并通过标准的纳米加工工艺进行处理，从而具有良好的CMOS兼容性。而且，这些材料的晶体结构表现出很强的面内各向异性，这导致的它们的光学和传输性质对其晶体取向敏感。这些特性使得检测入射光的偏振成为可能，这在传统的中红外检测器中无法实现。
检测光的偏振可以在这些探测器中实现多种新功能，例如提取物体的三维几何形状，在非常弱的光信号下进行高精度检测以及显著增强探测器中在多尘雾环境下的探测距离。此外，最有趣的是，可以通过施加垂直电场来动态调整BP和b-AsP的带隙（如图1所示），该电场可以调节每个像素的带隙，将探测器阵列变成光谱仪，从而产生新颖的可编程的宽光谱感应功能。由于这些特性，基于低维材料的中红外探测器引起了广泛的关注。
图 1各种低维材料（BP， b-AsP，Te和BTS）的带隙和大气透射窗口的比较，以及这些材料用于中红外探测的独特优势。
成果简介
基于上述背景，南加州大学Han Wang团队撰写了题为Emerging low-dimensional materials for mid-infrared detection的综述文章，博士后Jiangbin Wu和Han Wang教授为共同通讯作者。作者回顾了这些可以用于红外探测的低维材料（BP， b-AsP，Te和BTS）的相关进展，包括对这些新兴材料的独特的面内各向异性的晶体结构，可用于大规模制备的生长方法和中红外波段的光学性质等方面的研究。在探测器方面，文章着重强调了基于这类材料的红外探测器在提高响应度和探测性的一系列方案。对于提高响应度，作者侧重于光子栅效应和波导集成带来的增强效果，对于提高探测性，文章详细了描述了二维p-n结对于降低电流噪声的帮助。另外，作者还回顾了这探测器中面内各向异性光电流在探测偏振光中的应用，最后提出了此领域重要而有前景的未来研究方向。
课题组简介
南加州大学Han Wang课题组长期研究新型低维材料在电学，光学和光电探测等于领域的应用。课题组设备齐全，可独立完成低维材料的生长制备和转移，器件的制作，各类性能（光、电、磁、光电、力）的表征，已在Nature及其子刊发表有影响力的论文若干，详情请参见课题组主页：https://hanw.usc.edu/ 。
文章信息
Jiangbin Wu*, Nan Wang, Xiaodong Yan & Han Wang*. Emerging low-dimensional materials for mid-infrared detection. Nano Research https:doi.org/10.1007/s12274-020-3128-7.
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