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(fā)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(yōu)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(chuàng)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(qū)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(chǎn)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(xiàn)了與傳統(tǒng)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(xiàn)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(fā)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。
來源：中國科學院上海技術物理研究所
