基于黑磷-二硒化鎢光柵垂直異質(zhì)結(jié)的高靈敏偏振

 

　　紅外成像系統(tǒng)在軍事上的目標檢測、夜視和精確打擊等領(lǐng)域有著重要的作用，但在實際應(yīng)用中往往有雜波的存在，所以作為紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵因素的光探測器的空間分辨率需要得到提高，增強彩色、強度和偏振信息的檢測可以減少雜波并增強所需要的參數(shù)或?qū)Ρ榷取４送猓瑢崿F(xiàn)紅外成像系統(tǒng)的高度集成度和靈活性也是國防現(xiàn)代化的趨勢。但到目前為止，現(xiàn)有的光探測技術(shù)難以滿足這些要求，許多設(shè)備在復(fù)雜的環(huán)境條件下不能達到高空間分辨率。盡管基于Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體的光電探測器可以實現(xiàn)精確的檢測，但復(fù)雜的制造技術(shù)限制了其發(fā)展;新興的具有偏振敏感的納米線或碳納米管材料可應(yīng)用于光探測器開發(fā)中，但是也需要復(fù)雜的技術(shù)和設(shè)備進行圖案化和對齊。

 

　　【成果簡介】

 

　　5月3日，華中科技大學(xué)葉鐳副研究員等人在Nano Energy在線發(fā)表最新研究成果“Highly polarization sensitive infrared photodetector based on black phosphorus-on-WSe2photogate vertical heterostructure”。該工作與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所胡偉達研究員和香港中文大學(xué)許建斌教授合作完成。葉鐳副研究員為第一作者，胡偉達研究員和許建斌教授為通訊作者。

 

　　【本文亮點】

 

　　利用二維材料定點轉(zhuǎn)移法，將具有偏振特性的黑磷轉(zhuǎn)移到二硒化鎢上，黑磷作為光柵極，而二硒化鎢作為導(dǎo)電溝道，黑磷和二硒化鎢間存在內(nèi)建電場，提高了光生載流子的有效分離，并減少了分離的光生載流子的復(fù)合，從而實現(xiàn)了高靈敏度的可見-紅外寬帶光電探測。由于黑磷的強線性二色性以及這種垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)，光生載流子被內(nèi)建電場分離后，可以各向同性地傳輸和收集，而且黑磷和二硒化鎢的重疊區(qū)域的邊緣的方向?qū)λ衅窆獾挠绊懯且粯拥模@使得器件的紅外偏振響應(yīng)要優(yōu)于傳統(tǒng)的黑磷光探測器。

 

　　【圖文導(dǎo)讀】

 

　　圖1. 黑磷-二硒化鎢器件的電學(xué)表征

 

　　

 

 

 

　　(a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖;

 

　　(b) 在不同柵壓下的Ids-Vds曲線;

 

　　(c) 漏極電壓從-0.5 V到0.5V時的柵極可調(diào)Id-Vg轉(zhuǎn)移曲線。

 

　　圖2. 黑磷-二硒化鎢光探測器的光電流

 

　　

 

 

 

　　(a) 在不同光功率密度的可見光(637nm)的照射下的Iph-Vds曲線;

 

　　(b) 在不同光功率密度的紅外光(1550 nm)的照射下的Iph-Vds曲線;

 

　　(c) 在可見光(637nm)和紅外光(1550 nm)照射下的器件的能帶示意圖。

 

　　圖3. 黑磷-二硒化鎢光探測器的光電探測參數(shù)

 

　　

 

 

 

　　(a) 在不同波長的入射光照射下的光響應(yīng)R與漏極偏壓Vds成函數(shù)關(guān)系;

 

　　(b) 在不同波長的入射光照射下的光增益與比探測率D*的依賴關(guān)系。

 

　　圖4. 黑磷-二硒化鎢光探測器的響應(yīng)速度

 

　　

 

 

 

　　(a) 在可見光(637nm)和紅外光(1550 nm)照射下的時間分辨光響應(yīng);

 

　　(b) 器件的探測波長范圍和響應(yīng)時間與之前的類似工作的相關(guān)參數(shù)的比較;

 

　　圖5. 黑磷-二硒化鎢光探測器的紅外偏振光響應(yīng)

 

　　

 

 

 

　　(a) 器件的光學(xué)圖片以及相應(yīng)的在不同偏振方向的紅外光(1550 nm)照射下的光電流圖片;

 

　　(b) 相應(yīng)的光電流與入射光偏振方向的關(guān)系。

 

　　【總結(jié)與展望】

 

　　這項工作利用定點轉(zhuǎn)移法制備了一個基于黑磷-二硒化鎢光柵垂直異質(zhì)結(jié)的高靈敏度偏振紅外探測器。與常規(guī)的紅外探測器相比，這種黑磷的光柵極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了在室溫下的寬帶、高光響應(yīng)度和弱信號探測的光探測，而且對紅外偏振探測的高靈敏度的性能增強有重要的作用。這個工作首次直接將黑磷的本征寬帶線性二色性及其光柵極結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，提供了一種新的利用二維材料實現(xiàn)相應(yīng)的光探測器思路。這種二維材料光柵垂直異質(zhì)結(jié)器件為室溫工作的高分辨率紅外成像系統(tǒng)的應(yīng)用開辟了新的途徑。

 

　　文獻鏈接：Highly polarization sensitive infrared photodetector based on black phosphorus-on-WSe2photogate vertical heterostructure(Nano Energy, 2017, DOI：10.1016/j.nanoen.2017.05.004)