新型二维材料黑砷磷室温高灵敏中波红外光电探测器

近年来，中波红外在热成像、分子鉴定、自由空间通讯、光学雷达等方面获得越来越重要的应用。目前使用较多的碲镉汞红外探测器需要低温制冷，使用非常不便，价格也极其昂贵；非制冷（室温）红外探测器的发展，可以满足众多应用领域，成为红外探测研究领域中极具关注度的方向。

目前非制冷红外探测器的主流技术为热敏电阻式微辐射热计，根据使用的热敏电阻材料的不同分为氧化钒探测器和非晶硅探测器两种，但是比探测率偏低，响应时间慢，其核心技术也受到国外的封锁。

针对这方面的技术挑战，南京大学物理学院缪峰教授课题组及科研合作团队利用新型窄带隙二维材料“黑砷磷”（b-AsP）及相关范德华异质结，成功实现了室温性能超越现有商用技术的高灵敏中波红外光电探测，为推动二维材料在红外探测领域的应用迈出重要一步。该工作于近期发表在Science Advances [3, e1700589 (2017)]上。

图1 （A）黑砷磷场效应器件在室温下8.05 μm中波红外的响应信号，插图：器件的光伏响应（上）与结构示意图（下）；（B）黑砷磷场效应器件的光电流随偏压及栅压的变化关系，揭示光伏效应和光热电效应分别起主导作用；（C）b-AsP-MoS2异质结光电探测器光学显微镜照片，标尺5 μm；（D）室温下b-AsP-MoS2异质结光电探测器的比探测率与商用PbSe探测器及商用热敏电阻探测器的对比

该课题组近年来在二维材料可见和近红外光电探测器领域已取得若干研究进展（Nano Lett. 16, 2254 (2016)；Adv. Func. Mater. 26, 1938 (2016).）。在此基础上，这项工作选取了黑砷磷这样一种新型的窄带隙二维材料。这类材料通过元素砷同族掺杂黑磷得到，特定比例的黑砷磷b-As0.83P0.17已被发现其带隙可被调节至 ~ 0.15 eV，展现了在中红外探测领域的应用潜力。

该工作首先利用机械解理法得到b-As0.83P0.17的薄层样品，制备了场效应光晶体管，在室温下观察到8.05 μm中波红外的响应（图1A），成功进入红外的第二个大气窗口。通过对探测器工作机制进一步的系统研究，发现光伏效应和光热电效应分别在不同背栅电压下会起到主导的作用（图1B）。

为了克服窄带隙半导体室温下暗电流和噪声较大从而导致器件性能显著下降的挑战，利用二维材料定向转移的工艺，将不同掺杂的n型MoS2与b-As0.83P0.17（p型）堆叠在一起形成范德华异质结（图1C）。测试结果显示这种结构的异质结有效降低了器件的暗电流和噪声，室温比探测率可高达5 x 10^9 Jones，比目前被广泛使用的PbSe红外探测器的峰值探测率高了近1个量级（图1D）。该结果也充分展示了基于窄带隙二维材料的范德华异质结在中波红外探测领域的巨大应用潜力。

延伸阅读：

《红外新闻》-2017年上半年刊

《红外LED和激光器技术、应用和产业趋势》

《非制冷红外成像技术与市场趋势-2016版》

《红外探测器市场-2015版》