新型能動量匹配范德華異質結紅外探測器出世

　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）的范德華異質結應用于紅外探測，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，發表在《科學進展》（Science Advances）上。

　　窄禁帶二維半導體具有層間范德華力任意堆疊成異質結構、無表面懸掛鍵、暗電流極易被外場操控等優點，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。本研究創新性地將新型能動量匹配范德華異質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的Γ點（圖1a），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生率。BP和Bi₂O₂Se形成了完美的Ⅱ類能帶結構（圖1b），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異質結紅外探測器實現了與傳統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%（圖1c）。此外，該BP/Bi₂O₂Se異質結紅外探測器實現了較高的偏振特性，在短波紅外波段偏振比達到17（圖1d）。

　　研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院、上海市自然科學基金的支持。

　　動量匹配與能帶匹配的范德華紅外探測器：a、動量匹配的BP/Bi₂O₂Se異質結能谷結構示意圖；b、能帶匹配的BP/Bi₂O₂Se異質結能帶結構示意圖；c、能動量匹配的BP/Bi₂O₂Se異質結紅外探測器的量子效率；d、能動量匹配的BP/Bi₂O₂Se異質結紅外探測器的偏振特性。