基于黑磷-二硒化鎢光柵垂直異質結的高靈敏偏振

 

　　紅外成像系統在軍事上的目標檢測、夜視和精確打擊等領域有著重要的作用，但在實際應用中往往有雜波的存在，所以作為紅外成像系統的關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或對比度。此外，實現紅外成像系統的高度集成度和靈活性也是國防現代化的趨勢。但到目前為止，現有的光探測技術難以滿足這些要求，許多設備在復雜的環境條件下不能達到高空間分辨率。盡管基于Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ族半導體的光電探測器可以實現精確的檢測，但復雜的制造技術限制了其發展;新興的具有偏振敏感的納米線或碳納米管材料可應用于光探測器開發中，但是也需要復雜的技術和設備進行圖案化和對齊。

 

　　【成果簡介】

 

　　5月3日，華中科技大學葉鐳副研究員等人在Nano Energy在線發表最新研究成果“Highly polarization sensitive infrared photodetector based on black phosphorus-on-WSe2photogate vertical heterostructure”。該工作與中國科學院上海技術物理所胡偉達研究員和香港中文大學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移法，將具有偏振特性的黑磷轉移到二硒化鎢上，黑磷作為光柵極，而二硒化鎢作為導電溝道，黑磷和二硒化鎢間存在內建電場，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合，從而實現了高靈敏度的可見-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結構，光生載流子被內建電場分離后，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域的邊緣的方向對所有偏振光的影響是一樣的，這使得器件的紅外偏振響應要優于傳統的黑磷光探測器。

 

　　【圖文導讀】

 

　　圖1. 黑磷-二硒化鎢器件的電學表征

 

　　

 

 

 

　　(a) 器件結構示意圖;

 

　　(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Id-Vg轉移曲線。

 

　　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

 

　　

 

 

 

　　(a) 在不同波長的入射光照射下的光響應R與漏極偏壓Vds成函數關系;

 

　　(b) 在不同波長的入射光照射下的光增益與比探測率D*的依賴關系。

 

　　圖4. 黑磷-二硒化鎢光探測器的響應速度

 

　　

 

 

 

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

 

　　(b) 器件的探測波長范圍和響應時間與之前的類似工作的相關參數的比較;

 

　　圖5. 黑磷-二硒化鎢光探測器的紅外偏振光響應

 

　　

 

 

 

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

 

　　(b) 相應的光電流與入射光偏振方向的關系。

 

　　【總結與展望】

 

　　這項工作利用定點轉移法制備了一個基于黑磷-二硒化鎢光柵垂直異質結的高靈敏度偏振紅外探測器。與常規的紅外探測器相比，這種黑磷的光柵極結構實現了在室溫下的寬帶、高光響應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構結合起來，提供了一種新的利用二維材料實現相應的光探測器思路。這種二維材料光柵垂直異質結器件為室溫工作的高分辨率紅外成像系統的應用開辟了新的途徑。

 

　　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)