近年來,中波紅外在熱成像、分子鑑定、自由空間通訊、光學雷達等方面獲得越來越重要的應用,都要求器件在室溫下具備高靈敏度。目前非製冷(室溫)紅外探測器的主流技術為熱敏電阻式微輻射熱計,但是器件比探測率偏低,響應時間慢,其核心技術也受到國外的封鎖。

【成果簡介】

針對這方面的技術挑戰,在二維材料光電探測領域近年取得的若干研究進展基礎上(Nano Lett. 16, 2254 (2016);Adv. Func. Mater. 26, 1938 (2016).),南京大學物理學院繆峰教授課題組及科研合作團隊利用新型窄帶隙二維材料“黑砷磷”(b-AsP)及相關范德華異質結,成功實現了室溫性能超越現有商用技術的高靈敏中波紅外光電探測,為推動二維材料在紅外探測領域的應用邁出重要一步。該工作以“Room temperature high-detectivity mid-infrared photodetectors based on black arsenic phosphorus”為題發表在Science子刊:《Science Advances》上。南京大學物理學院博士生龍明生和高安遠為論文的共同貢獻第一作者,繆峰教授、以及南大電子學院王肖沐教授和上海技術物理所胡偉達研究員為該論文的共同通訊作者。該工作的合作者還包括香港中文大學的許建斌教授、慕尼黑理工大學的Tom Nilges教授、上海技術物理研究所的陸衛研究員和陳效雙研究員。

【圖文導讀】

圖一、基於黑砷磷場效應器件中波紅外光電響應及光電響應機制研究

(A) 黑砷磷樣品的光吸收譜,插圖:黑砷磷場效應器件的結構示意圖;

(B) 黑砷磷場效應器件在無光照(黑色)及中波紅外8.05 μm光照下(紅色)的I-V曲線,藍色為提取的光電流隨偏置電壓的變化關係。插圖上:零偏壓脈衝激光照射下器件隨時間響應。插圖下:一個典型黑砷磷場效應器件的光學顯微鏡照片;

(C) 黑砷磷場效應器件的光電流隨偏壓及柵壓的變化關係;

(D) 不同偏壓下光電流隨柵壓的變化關係;

(E) 黑砷磷場效應器件工作原理示意圖。

圖二、黑砷磷場效應器件的光學表徵

(A)黑砷磷場效應器件的光響應率及量子效應隨激發波長的變化關係;

(B) 黑砷磷場效應器件在中波紅外4.034 μm的時間響應;

(C) 黑砷磷場效應器件的光響應率及量子效應隨激光功率的變化關係,激發波長3.662 μm;

(D) 黑砷磷場效應器件的電學及光電響應的各向異性,光電測試的激發波長4.034 μm。

圖三、黑砷磷場效應器件及b-AsP-MoS2異質結器件的噪聲譜及靈敏度

(A) b-AsP-MoS2異質結光電探測器在光照及無光照時的I-V曲線,激光波長4.034 μm,插圖:b-AsP-MoS2異質結光電探測器光學顯微鏡照片(標尺5μm);

(B) 黑砷磷場效應器件及b-AsP-MoS2異質結器件零偏壓下的噪聲電流譜;

(C) 黑砷磷場效應器件及b-AsP-MoS2異質結器件的噪聲等效功率;

(D) 室溫下黑砷磷場效應器件及b-AsP-MoS2異質結光電探測器的比探測率與商用PbSe探測器及商用熱敏電阻探測器的對比。

【小結】

這項工作選取了黑砷磷這樣一種新型的窄帶隙二維材料,製備了場效應光晶體管,在室溫下觀察到8.05μm中波紅外的響應,成功進入紅外的第二個大氣窗口。通過對探測器工作機制進一步的系統研究,發現光伏效應和光熱電效應分別在不同背柵下會起到主導的作用。為了克服窄帶隙半導體室溫下暗電流和噪聲較大從而導致器件性能顯著下降的挑戰,利用二維材料定向轉移的工藝,將不同摻雜的n型MoS2與b-As0.83P0.17堆疊在一起形成范德華異質節,有效降低了器件的暗電流和噪聲,室溫比探測率可高達5×109 Jones,比目前被廣泛使用的PbSe紅外探測器的峰值探測率高了近1個量級。該工作充分展示了基於窄帶隙二維材料的范德華異質結在中波紅外探測領域的巨大應用潛力。

論文鏈接:Room temperature high-detectivity mid-infrared photodetectors based on black arsenic phosphorus (Sci. Adv. 3, e1700589 (2017), DOI: 10.1126/sciadv.1700589)

本文由南京大學物理學院繆峰教授課題組投稿,材料牛整理編輯。

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