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新型能動量匹配范德華異質(zhì)結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:4119

近日,中國科學院上海技術物理研究所胡偉達、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)結應用于紅外探測器技術。

  【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,構建具有原子級平整界面的各種異質(zhì)結構,這種異質(zhì)結構被稱為范德華異質(zhì)結構。
 
  范德華異質(zhì)結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)結相比,范德華異質(zhì)結不依賴于化學鍵,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構、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建全新的界面,是設計功能器件至關重要的一步,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)結構、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)結應用于紅外探測器技術。
 
  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類能帶結構,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:上海技術物理研究所)
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