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【研究背景】
毫米波探测器在通信技术、生物医学、国防和深空探测等领域得到广泛应用。为了在不同条件下增强对目标特征的检测能力，拓宽其工作波长范围至关重要，这也有助于实现多光谱识别。基于半导体（Si、HgCdTe和InGaAs）载流子带间跃迁的最新光电探测器可覆盖从可见光到中红外波段的光谱。然而，暗电流的抑制和量子效率的提升需求是阻碍长波长辐射宽带探测器发展的重大挑战。特别是，太赫兹波段的光子能量不足以实现从价带顶（VBM）到导带底（CBM）的电子跃迁，无法实现有效的光电转换。因此，当前的室温太赫兹探测器，如辐射热计、肖特基二极管和场效应晶体管（FETs），主要依赖于热效应或电子机制。其中，场效应晶体管可以通过共振或非共振方式探测太赫兹波，远超截止频率。因此，由于克服了热探测器和肖特基二极管固有的局限性（包括响应时间慢、频率范围受限以及阵列配置困难等），场效应晶体管越来越受到青睐。尽管取得了这些进展，但仍然迫切需要一个能够同时响应红外和太赫兹刺激的统一平台。这样的发展将对宽光谱光电器件的集成和微型化产生深远影响，推动该领域实现重大突破。
自石墨烯问世以来，涌现出大量二维材料。与其体相材料相比，二维材料展现出独特的特性，包括层依赖带隙、高迁移率、面内各向异性和有效的静电栅极控制，在半导体技术集成方面具有广阔前景。因此，近年来基于二维材料的创新光子和光电应用不断涌现，包括从太赫兹到紫外的宽带光电探测器。得益于无带隙的电子带结构，石墨烯和拓扑半金属（如Cd
3
As
2
和NiIrTe
4
）可以实现宽带光响应，但相关器件的暗电流水平仍未能有效降低。最近研究表明，基于黑磷（BP, 具有窄带隙和高载流子迁移率的范德华半导体）的器件主要通过光电导、光伏、光热电和等离子体波整流机制产生光响应，展现出出色的性能指标和广泛的应用前景。然而，黑磷较差的环境稳定性严重限制了其应用，需要封装以保持其性质。尽管已提出许多改善其化学稳定性的物理和化学方法，但生产过程仍然具有挑战性。
黑砷烯（b-As），通常被称为磷烯的“表亲”，具有褶皱结构的六角晶格，其各向异性晶格与磷烯非常相似。然而，由于其对氧化和环境退化的强抗性，黑砷烯表现出显著优于磷烯的环境稳定性。其表面钝化特性有效抑制了氧化反应，确保了较长的工作寿命，使其成为构建耐用和长寿命设备的最佳选择。此外，实验和理论研究都表明，即使长期暴露在空气中，黑砷烯仍能保持其结构完整性和电子特性，这使其非常适合用于可靠和耐用的宽带光电探测器。这种抗氧化性与卓越的电子和光学特性的结合使黑砷烯成为所提出应用的理想材料。大量研究已探索了黑砷烯的本征面内光学、电学和机械各向异性，以及其双极性传输特性和自
旋-谷耦
合Rashba表面态的存在。尽管取得了这些进展，但黑砷烯在超宽带光电探测方面的应用仍然很大程度上未被探索，特别是在覆盖从可见光到太赫兹频率的全光谱范围方面。
【成果介绍】
鉴于此，
上海技术物理研究所的王林研究员，拉奎拉大学的Antonio Politano，
中国计量大学的韩利助理研究员和杭州高等研究院的张立波副研究员
合作发表了题为“Multispectral Integrated Black Arsenene Phototransistors for High-Resolution Imaging and Enhanced Secure Communication”的文章在ACS Nano期刊上。
该工作开发了一种基于二维黑砷烯纳米片的高性能室温光电探测器，该器件在可见光、近红外（NIR）和太赫兹波长范围内展现出超宽带响应。该器件利用带间跃迁产生的电
子-空
穴对快速分离而产生光电流，在可见光至近红外光谱范围内实现出色的探测能力，峰值电流响应率达到91.6 A/W。为了解决低能量太赫兹光子波长与光敏面积不匹配的挑战，本工作特别设计了非对称天线集成的黑砷烯场效应晶体管。这种设计增强了光与物质的相互作用，并促进了晶体管沟道内二维电子气的非线性整流。此外，该器件在太赫兹范围内表现出电压依赖的双极性响应，在0.27 THz时记录到最大响应率7.8 V/W。黑砷烯探测器优异的灵敏度和宽光谱覆盖范围凸显了其重要的实用潜力，特别是在需要跨越不同波长进行快速、大面积成像的应用中。黑砷烯探测器在室温下的固有稳定性和高效性有助于开发更易获取和更具成本效益的解决方案，推动生物医学成像、环境监测和电信等领域的商业和科学应用发展。
【图文导读】
图 1. 黑砷烯薄膜的表征。(a) 黑砷烯晶体结构示意图。(b) 厚度约20 nm的黑砷烯薄片的原子力显微镜（AFM）图像。(c) 黑砷烯的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。(d) 黑砷烯的偏振分辨拉曼散射光谱。(e, f) 通过密度泛函理论（DFT）计算的块体和单层黑砷烯能带结构。(g) 入射偏振沿x方向和y方向的块体黑砷烯光学吸收光谱。(h, i) 黑砷烯纳米片在价带顶（VBM）和导带底（CBM）态的部分电荷密度。
图 2. 黑砷烯光电探测器可
见光-近红外
探测性能表征。(a) 黑砷烯器件示意图。(b) 器件在暗态和不同照明强度下的源漏
电流-电压
（I
ds
-V
ds
）特性。(c) 在638 nm激光照射下的光电流分布图。(d) 考虑接触处小肖特基势垒的黑砷烯光电探测器能带图。(e) 器件对波长从532至1550 nm的光照在零偏压下的时间分辨响应。(f) 器件在入射波长为520、638、830、1060和1550 nm时的响应率随激光功率的变化。(g) 透射扫描成像系统示意图。(h) （上）"UCAS"照片和（下）在638 nm辐射下由黑砷烯探测器获得的成像。
图 3. 黑砷烯场效应晶体管的输运特性。(a) 黑砷烯场效应晶体管的结构示意图和等效电路图。(b) 室温下器件的转移特性。(c) 不同栅极电压下导带、价带、本征费米能级（E
Fi
）和费米能级（E
F
）变化的示意图。(d, e) 黑砷烯场效应晶体管中沟道电导率和电导率导数与电阻乘积随顶栅电压（V
tg
）的变化。
图 4. 黑砷烯场效应晶体管太赫兹探测器的实验性能和高分辨率成像。(a) 测量装置。(b) 集成对数周期天线的黑砷烯场效应晶体管探测器的光学显微图。(c) 在V
tg
= -1 V时测得的黑砷烯基探测器的频率相关响应。(d) 在0.27 THz下测量的室温电压响应率随V
tg
的依赖关系。(e) 等离子体波整流机制和光热电效应的示意图。(f) 黑砷烯场效应晶体管探测器的噪声等效功率（NEP）和比探测率（D
*
）。(g) 黑砷烯器件与典型的石墨烯、黑磷和Bi
2
Se
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基探测器的关键指标比较。(h) 用于太赫兹成像的光路和器件示意图。(i) 用于成像的物体，开瓶器和铁丝。(j) 图4i所示薄片的透射扫描成像结果。
图 5. 基于黑砷烯场效应晶体管超宽带光电探测器的光电逻辑门。(a) 使用黑砷烯光电探测器的逻辑门示意图。(b) 逻辑门的概念图。(c) 阈值为15 nA的“与”和“或”逻辑门的光电流水平。(d) 用于在超宽带通信系统中传输ASCII码“b-As”的输入和输出信号。(e) 1550 nm激光发射的“HIAS”用作解码堆叠信号的密钥，以获取0.27 THz光源传输的实际信号“CJLU”。
【总结展望】
总之，本文的研究展示了黑砷烯光电探测器开发的一项突破性进展，该器件能够在从可见光到太赫兹频率的宽光谱范围内高效运行。这些器件在可见光至近红外区域表现出优异的性能，在520 nm处响应率为91.6 A/W，在638 nm处为80.1 A/W，在830 nm处为18.3 A/W，在1060 nm处为9.5 A/W，在1550 nm处为6.3 A/W。这些区域的高灵敏度归因于黑砷烯中高效的光电导效应。对于太赫兹探测，本文设计了一种复杂的结构，将非对称对数周期天线与场效应晶体管集成在一起。这种设计在0.27 THz实现了有效的等离子体波整流。在这种情况下，黑砷烯沟道中二维电子气的过阻尼等离子体波起着关键作用。太赫兹辐射的低光子能量不足以直接激发
电子-空
穴对，这一问题通过等离子体波机制得到了有效缓解。通过顶栅电压控制调制的n型和p型黑砷烯层的太赫兹响应凸显了该材料卓越的电子特性，实现了其光电探测能力的精确调节。通过金属物体的高分辨率太赫兹成像验证了这些光电探测器的实用性，在室温下实现了信噪比优异的快速大面积成像。这表明黑砷烯探测器在实际应用中的潜力，无需低温冷却即可提供稳定的性能。这种独特的架构能够实现复杂的逻辑运算，如“与”门和“或”门，这对安全数据加密和稳健信号处理至关重要。然而，为了提供一个平衡的视角，也必须认识到该材料的某些局限性。与高质量黑砷烯合成相关的挑战，如实现大面积均匀性和精确控制其厚度，可能会阻碍其工业应用的规模化。通过先进的合成技术和保护策略解决这些挑战，对于实现黑砷烯在实际器件中的全部潜力至关重要。尽管存在这些限制，通过充分利用黑砷烯的光谱特性，本工作为开发集成光电器件铺平了道路，以满足现代电信、生物医学成像、环境监测和安全筛查日益增长的需求。黑砷烯在室温下的稳定性和高效性提供了一种可及且具有成本效益的解决方案，表明其在基础科学和技术应用方面的潜在影响。
Li Han, Shi Zhang, Shijian Tian, Libo Zhang, Yingdong Wei, Kaixuan Zhang, Mengjie Jiang, Yuan He, Changlong Liu, Weiwei Tang, Jiale He, Haibo Shu, Antonio Politano, Xiaoshuang Chen, Lin Wang. ACS Nano 2024.
文献链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14512
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