隨著現(xiàn)有社會的不斷發(fā)展，對光電探測器的需求不斷提高，但現(xiàn)有傳統(tǒng)材料探測器的發(fā)展已進入瓶頸期，亟需新材料的出現(xiàn)，使光電探測器得到進一步的發(fā)展。石墨烯等新型二維材料相比于傳統(tǒng)材料，具有可做成原子級尺寸、能帶可調(diào)、具有柔韌性等突出優(yōu)點。可滿足當(dāng)今社會對光電探測器性能，尺寸等方面更高需求。因此二維材料光電探測器被廣泛研究，取得了豐碩的研究成果。然而二維材料光電探測器存在明顯優(yōu)勢的同時，也存在著明顯的不足之處。這將限制其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，需要通過一些手段進一步優(yōu)化探測器的性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，華北光電技術(shù)研究所王成剛團隊在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“二維材料光電探測器及光場增強的研究進展”為主題的綜述文章。王成剛主要從事紅外光電器件方面的研究工作。該研究第一作者為華北光電技術(shù)研究所的李景峰。

這項研究著重介紹現(xiàn)有二維光電探測器的研究進展，并介紹通過超材料、諧振器等方式實現(xiàn)光場增強，從而提高探測器的性能。

常見二維材料制備的光電探測器主要有：石墨烯光電探測器、二硫化鉬光電探測器、具有各向異性的二維材料的光電探測器（二硫化錸、黑磷）。

石墨烯的結(jié)構(gòu)是呈現(xiàn)蜂巢狀，由碳原子經(jīng)過sp2軌道雜化形成的，其中原子軌道呈現(xiàn)為平面三角形的結(jié)構(gòu)。此外每個碳原子還有一個未參與雜化的p軌道，p軌道上的電子會形成一個離域的大π鍵，從而使電子更容易在石墨烯表面上自由運動，這也是石墨烯具有超快載流子遷移率的原因之一。石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)在倒格子k空間中，可以得到狄拉克錐結(jié)構(gòu)，因此純凈的石墨烯為電中性。通過對石墨烯費米能級的調(diào)控，很容易將石墨烯中多數(shù)載流子類型調(diào)節(jié)成n型或p型，便于石墨烯應(yīng)用于制備雙極性器件。由于石墨烯的色散關(guān)系（即波矢與能量的關(guān)系）是線性的，石墨烯可以表現(xiàn)出許多獨特的光電特性。

石墨烯光電探測器

隨著過渡族金屬硫族化合物制備成功，有效彌補了石墨烯光吸收弱這一缺點。因為過渡族金屬硫族化合物具有一定的帶隙，且一定程度上帶隙可以通過一些方式（例如：對材料施加應(yīng)力的方式）進行調(diào)控，使過渡族金屬硫族化合物制備的光電探測器在一些方面的性能參數(shù)會優(yōu)于石墨烯光電探測器。過渡族金屬硫族化合物是一類二維材料的統(tǒng)稱，其化學(xué)構(gòu)成式具有統(tǒng)一的形式，即為MX2，二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）、二硒化鎢（WSe2）等是其中的代表材料。二硫化鉬塊體材料在自然界中主要存在于輝鉬礦里。二硫化鉬片層結(jié)構(gòu)可以通過機械剝離，液相剝離的方式得到，也可以通過化學(xué)氣相沉積方式生長得到。二硫化鉬單層原子結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)。利用二硫化鉬能帶結(jié)構(gòu)可隨其層數(shù)變化而發(fā)生變化這一特點，可為光電探測器的制備提供多種選擇。

二硫化鉬光電探測器

光場增強二維材料光電探測器是增強二維材料光電探測器的重要手段。光場增強二維材料光電探測器的原理是將光增強吸收的結(jié)構(gòu)置入到二維材料光電探測器中，增加入射光與二維材料溝道作用的次數(shù)，或是將光增強吸收的結(jié)構(gòu)中吸收光產(chǎn)生的熱載流子導(dǎo)入到二維材料溝道之中，這種結(jié)構(gòu)大部分是超材料結(jié)構(gòu)。本研究中光場增強中主要是利用超材料的表面等離激元共振，F(xiàn)-P腔共振等原理產(chǎn)生強光吸收，使二維材料光電探測器不再受材料與光單次吸收光的吸收效率的影響。常見光場增強的結(jié)構(gòu)有光波導(dǎo)、納米陣列、光柵、光學(xué)微腔等。目前主要通過在石墨烯光電探測器中置入金納米陣列、光學(xué)微腔等方式可以在特定波長下，增強石墨烯光電探測器的光響應(yīng)度，寬譜領(lǐng)域的探測研究還比較少。

光場增強二維材料光電探測器

本研究詳細介紹了二維材料光電探測器發(fā)展現(xiàn)狀，其經(jīng)過十多年的發(fā)展，其在各波段探測都有了顯著的研究進展，成果豐碩。同時也需要通過一些手段，進一步改善其性能。隨后介紹了通過光場增強的方式來增強石墨烯等二維材料光電探測器研究進展，現(xiàn)階段研究實現(xiàn)了在特定波段的增強，但寬譜范圍探測增強研究還較少，需要加大寬譜光增強二維材料的研究，進一步拓展二維材料光電探測器在寬譜探測領(lǐng)域的應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩