近日，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)、苗金水團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)彭海琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)合作，提出將動(dòng)量匹配和能帶匹配（能動(dòng)量匹配）的范德華異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于紅外探測(cè)，研究結(jié)果表明該器件設(shè)計(jì)可顯著提高二維材料紅外探測(cè)器量子效率，為研制高量子效率紅外探測(cè)器提供了新方法。相關(guān)成果以“Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection”為題發(fā)表在國(guó)際期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

       窄禁帶二維半導(dǎo)體具有層間范德華力任意堆疊成異質(zhì)結(jié)構(gòu)、無(wú)表面懸掛鍵、暗電流極易被外場(chǎng)操控等優(yōu)點(diǎn)，為研制室溫、高靈敏紅外探測(cè)器提供了新機(jī)遇。然而，二維半導(dǎo)體原子級(jí)薄層特性嚴(yán)重限制了其高量子效率紅外探測(cè)器的應(yīng)用。本研究創(chuàng)新性地將新型能動(dòng)量匹配范德華異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于紅外探測(cè)器技術(shù)。研究顯示，二維半導(dǎo)體 Black phosphorus（BP）的價(jià)帶頂和Bi2O2Se的導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)的Γ點(diǎn)（圖1a），光生載流子在界面處能直接躍遷到BP和Bi2O2Se的導(dǎo)帶，極大地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(lèi)能帶結(jié)構(gòu)（圖1b），進(jìn)而提高了光生載流子的收集效率。本研究制備的能動(dòng)量匹配BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)材料紅外探測(cè)器相比擬的量子效率，在1.3 μm時(shí)量子效率達(dá)到84%，在2 μm時(shí)量子效率達(dá)到76.5%（圖1c）。該BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器還實(shí)現(xiàn)了較高的偏振特性，在短波紅外波段偏振比達(dá)到17（圖1d）。

       該項(xiàng)工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院、上海市自然科學(xué)基金的資助。

圖1 動(dòng)量匹配與能帶匹配的范德華紅外探測(cè)器：

a，動(dòng)量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)能谷結(jié)構(gòu)示意圖；

b，能帶匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)示意圖；

c，能動(dòng)量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器的量子效率；

d，能動(dòng)量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器的偏振特性。

新聞鏈接：http://www.sitp.cas.cn/xwzx/kydt/202208/t20220811_6499253.html

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