近年來,中波紅外在熱成像、分子鑒定、自由空間通訊、光學(xué)雷達(dá)等方面獲得越來越重要的應(yīng)用。目前使用較多的碲鎘汞紅外探測(cè)器需要低溫制冷,使用非常不便,價(jià)格也極其昂貴;非制冷(室溫)紅外探測(cè)器的發(fā)展,可以滿足眾多應(yīng)用領(lǐng)域,成為紅外探測(cè)研究領(lǐng)域中極具關(guān)注度的方向。
目前非制冷紅外探測(cè)器的主流技術(shù)為熱敏電阻式微輻射熱計(jì),根據(jù)使用的熱敏電阻材料的不同分為氧化釩探測(cè)器和非晶硅探測(cè)器兩種,但是比探測(cè)率偏低,響應(yīng)時(shí)間慢,其核心技術(shù)也受到國外的封鎖。
針對(duì)這方面的技術(shù)挑戰(zhàn),南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授課題組及科研合作團(tuán)隊(duì)利用新型窄帶隙二維材料“黑砷磷”(b-AsP)及相關(guān)范德華異質(zhì)結(jié),成功實(shí)現(xiàn)了室溫性能超越現(xiàn)有商用技術(shù)的高靈敏中波紅外光電探測(cè),為推動(dòng)二維材料在紅外探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用邁出重要一步。該工作于近期發(fā)表在Science Advances [3, e1700589 (2017)]上。
圖1 (A)黑砷磷場(chǎng)效應(yīng)器件在室溫下8.05 μm中波紅外的響應(yīng)信號(hào),插圖:器件的光伏響應(yīng)(上)與結(jié)構(gòu)示意圖(下);(B)黑砷磷場(chǎng)效應(yīng)器件的光電流隨偏壓及柵壓的變化關(guān)系,揭示光伏效應(yīng)和光熱電效應(yīng)分別起主導(dǎo)作用;(C)b-AsP-MoS2異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器光學(xué)顯微鏡照片,標(biāo)尺5 μm;(D)室溫下b-AsP-MoS2異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的比探測(cè)率與商用PbSe探測(cè)器及商用熱敏電阻探測(cè)器的對(duì)比。
該課題組近年來在二維材料可見和近紅外光電探測(cè)器領(lǐng)域已取得若干研究進(jìn)展(Nano Lett. 16, 2254 (2016);Adv. Func. Mater. 26, 1938 (2016).)。在此基礎(chǔ)上,這項(xiàng)工作選取了黑砷磷這樣一種新型的窄帶隙二維材料。這類材料通過元素砷同族摻雜黑磷得到,特定比例的黑砷磷b-As0.83P0.17已被發(fā)現(xiàn)其帶隙可被調(diào)節(jié)至 ~ 0.15 eV,展現(xiàn)了在中紅外探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
該工作首先利用機(jī)械解理法得到b-As0.83P0.17的薄層樣品,制備了場(chǎng)效應(yīng)光晶體管,在室溫下觀察到8.05 μm中波紅外的響應(yīng)(圖1A),成功進(jìn)入紅外的第二個(gè)大氣窗口。通過對(duì)探測(cè)器工作機(jī)制進(jìn)一步的系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)和光熱電效應(yīng)分別在不同背柵電壓下會(huì)起到主導(dǎo)的作用(圖1B)。
為了克服窄帶隙半導(dǎo)體室溫下暗電流和噪聲較大從而導(dǎo)致器件性能顯著下降的挑戰(zhàn),利用二維材料定向轉(zhuǎn)移的工藝,將不同摻雜的n型MoS2與b-As0.83P0.17(p型)堆疊在一起形成范德華異質(zhì)結(jié)(圖1C)。測(cè)試結(jié)果顯示這種結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)有效降低了器件的暗電流和噪聲,室溫比探測(cè)率可高達(dá)5×109 Jones,比目前被廣泛使用的PbSe紅外探測(cè)器的峰值探測(cè)率高了近1個(gè)量級(jí)(圖1D)。該結(jié)果也充分展示了基于窄帶隙二維材料的范德華異質(zhì)結(jié)在中波紅外探測(cè)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。