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南科大物理系张立源团队在2D材料宽光谱光探测器领域取得新进展

近日,南方科技大学物理系副教授张立源团队与前沿与交叉科学研究院研究副教授龚佑品、电子与电气工程系副教授陈锐合作,共同在2D材料宽光谱光探测器领域取得新进展。在国际顶级学术期刊Advanced Materials (影响因子21.950)上发表题为“Ultrahigh-Sensitive Broadband Photodetectors Based on Dielectric Shielded MoTe2/Graphene/SnS2 p-g-n Junctions”的论文,并被选为当期的Frontispiece文章。张立源课题组博士研究生李阿蕾为第一作者,长期在课题组参与研究工作的2016级本科生陈千雪为第二作者,龚佑品、张立源和陈锐为共同通讯作者。

能够检测宽光谱的光电探测器是光谱学、遥感、成像和光通信中多样化光电应用的核心。目前,在生活中应用较多的是Si基和InGaAs光电探测器。但是,Si基光电探测器的探测光谱范围较窄(200−1100 nm);对于InGaAs光电探测器来说,它的原材料有毒且昂贵,且需在低温环境中(~4 K)工作的特性使得它的使用成本也较高。随着技术和市场的发展,对高灵敏、高速、宽带宽、低成本、可弯曲光电探测器的需求越来越大,因而传统半导体光电探测器越来越不能满足未来的技术需求。二维(2D)材料种类丰富,根据他们的带隙可以分别应用于从紫外到无线电波范围内的光电探测(图1,Nature Photonics 2014, 8, 899),具有小型化、便携式、柔性的特点,有望成为下一代光电子器件的巨大潜力。

然而,单一2D材料光电探测器存在或探测波段窄、或响应时间较长、或探测率低等缺点。为了更好的提高2D材料光电探测器的性能,研究者提出利用一种新型结构:2D 范德瓦尔斯(vdW) p−n异质结。这种光电探测器主要基于p−n结的光伏效应,其主要缺陷和面临的挑战是:反向偏压工作时,尽管内建电场抑制暗电流增大了比探测率(D*),但是由于没有内部增益导致光响应率比较小(一般在近红外波段只有0.01−1.0 A/W)。此外,大多数报道的vdW p−n结器件都是在窄带工作,主要在可见光谱中工作。因此,通过设计具有超出可见光谱的光活性2D层的vdW p−n结并在宽光谱范围内实现优越的综合性能光探测越来越受到研究者们的关注。

图1:各种2D材料光电探测器可应用的波段范围

为克服这一挑战,李阿蕾和陈千雪等人在龚佑品的直接指导下,经过一年多时间的大量的前期实验累积,设计出一种新颖的垂直异质结构的二维材料光电器件,即在MoTe2/SnS2 p−n结之间和外层分别引入石墨烯(graphene)夹层和h-BN介电屏蔽层,并形成一个全新的h-BN/MoTe2/graphene/SnS2/h-BN p−g−n结光电探测器(图1a),实现了在宽波段(405−1550 nm)范围内同时具有超高的光响应度和比探测率(图1b-e)。

图2:器件结构和光探测性能. (a)3D的器件结构图;(b)光响应度和外部量子效率;(c)光响应速度;(d)比探测率;(e)石墨烯夹层厚度对器件光响应度和响应速度的影响。

在这种独特的vdW p−g−n结中,互补带隙的MoTe2和SnS2、石墨烯夹层、结内形成的垂直内置电场的组合为增强的宽带光吸收、高效的激子分离和载流子转移提供了无可比拟的优势。研究发现,石墨烯夹层在增强探测率和拓宽光谱范围方面起到关键作用(图2e)。优化的器件(包含5−7层石墨烯夹层)在紫外−可见−近红外光谱中显示出超过2600 A/W的光响应度(图2b)、快的光响应速度(图2c)、高达1013 Jones的比探测率 (图2d)。特别是在1550 nm短波红外激发下,其比探测率也高达1.06×1011 Jones,可媲美商业的短波红外探测器(譬如非​​制冷的Ge-on-Si光电探测器)。

这些研究结果为宽带的超高性能光电探测器提供了切实可行的思路,且本研究成果在目前宽光谱光电探测器件方面以及未来的柔性的光电子与智能传感器件方面具有极大的应用潜力。

该研究得到了国家自然科学基金、广东省创新创业团队计划、深圳市科创委的学科布局,以及南科大和深圳市的启动配套经费等项目的大力支持。

美国堪萨斯大学物理与天文系杰出教授Judy Z. Wu也对该研究工作有重要贡献。

陈千雪、李阿蕾、龚佑品、张立源在光电实验室

科研心得:思想创新、不怕困难、坚持到底,必有收获

龚佑品分享了在此项科研工作中的感受:“科学研究的核心思维其实很简单:你找到或提出一个重要科学问题,然后想办法解决这个问题。但是,在解决问题的过程中,往往不是一帆风顺或一蹴而就的。这个时候,就需要我们不畏困难、敢于坚持,最终才会有所收获。拿这次的工作来说,我和学生一起首先提出了这个新的结构来解决2D材料p−n结的光响应度小和光探测范围窄的问题,但是在最初的几次尝试中都失败了,不是做出来的器件根本不能用,就是性能没有预想的好。这个时候我们不禁会怀疑自己:难道是我们的想法错了吗?后来我们通过重新查阅文献和专业书籍,确信我们的设计是合理可行的。于是我和学生都决定要坚持做下去,这个过程中,我们不断提高实验技巧和改善器件制造的工艺。经过几十个样品的尝试,最终,我们在一个样品中观察到了我们预想的结果。这就证实了我们前期的想法是对的,于是信心大增,后面的实验就比较顺利了,最后也获得了理想的实验结果。”

李阿蕾也分享了她的切身感受:“我是幸运的,从选题开始,我的指导老师张立源和龚佑品就给予了非常详细和具体的指导。方案实施中,起初的实验结果并不理想,有时会感到很沮丧,但龚老师确信我们的方案是可行的并且不断鼓励我,使我保持信心并坚持下去。在团队其他同学的热心帮助下,我的实验技术不断提高,最终我们得到了预期的结果。从选题到文章发表,这个过程是煎熬并快乐着,最后收获的喜悦也是难以形容的美好。”

 

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805656

 

专业术语小贴士:

光探测器:它是通过电过程探测光信号的半导体器件,包括三个基本过程:1、入射光产生激子(光激发的电子-空穴对);2、通过某种机制分离激子形成载流子的输运和倍增;3、载流子形成端电流,输出信号。

光响应度Rph:光电探测器的响应度是光电流Iph除以入射光功率Pin:Rph = Iph / Pin。这是表征光探测器性能的一个重要指标。

比探测率D*:用于表征探测器性能的另一个典型的品质因子。比探测率D*=(A∙B)0.5/NEP,其中A是光敏区域的面积,B是探测器的频率带宽,NEP是噪声等效功率(相当于探测器输出信号等于噪声信号时所需的入射光功率)。D*以cm Hz1/2 W−1测量,该单位以Jones命名,1 cm Hz1/2 W−1 = 1 Jones。可见,比探测率由探测灵敏度、光谱响应和噪声共同决定。

SPC南科大物理系张立源团队在2D材料宽光谱光探测器领域取得新进展

1 comment

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  • A WordPress Commenter - 2017年06月29日 星期四

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