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南京大学温室中波红外光电探测器研究获重要进展

仪表研发 2017年07月05日 08:27:58 来源:南京大学新闻网人气:15161
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  【仪表网 仪表研发】近年来,中波红外在热成像、分子鉴定、自由空间通讯、光学雷达等方面获得越来越重要的应用,都要求器件在室温下具备高灵敏度。
 

 
  目前非制冷(室温)红外探测器的主流技术为热敏电阻式微辐射热计,但是器件比探测率偏低,响应时间慢。针对这方面的技术挑战,南京大学物理学院缪峰教授课题组及科研合作团队利用新型窄带隙二维材料“黑砷磷”(b-AsP)及相关范德华异质结,成功实现了室温性能超越现有商用技术的高灵敏中波红外光电探测,为推动二维材料在红外探测领域的应用迈出重要一步。
 
  该课题组近年来在二维材料可见和近红外光电探测器领域已取得若干研究进展(Nano Lett. 16,2254 (2016);Adv. Func. Mater. 26,1938 (2016).),在此基础上,这项工作选取了黑砷磷这样一种新型的窄带隙二维材料。这类材料通过元素砷同族掺杂黑磷得到,特定比例的黑砷磷b-As0.83P0.17已被发现其带隙可被调节至~0.15 eV,展现了在中红外探测领域的应用潜力。该工作首先利用机械解理法得到b-As0.83P0.17的薄层样品,制备了场效应光晶体管,在室温下观察到8.05μm中波红外的响应(图A),成功进入红外的第二个大气窗口。通过对探测器工作机制进一步的系统研究,发现光伏效应和光热电效应分别在不同背栅下会起到主导的作用(图B)。为了克服窄带隙半导体室温下暗电流和噪声较大从而导致器件性能显著下降的挑战,缪峰教授课题组利用二维材料定向转移的工艺,将不同掺杂的n型MoS2与b-As0.83P0.17(p型)堆叠在一起形成范德华异质节(图C)。测试结果显示这种结构的异质结有效降低了器件的暗电流和噪声,室温比探测率可高达5´109Jones,比目前被广泛使用的PbSe红外探测器的峰值探测率高了近1个量级(图D)。该结果也充分展示了基于窄带隙二维材料的范德华异质结在中波红外探测领域的巨大应用潜力。
 

 
  图:(A)黑砷磷场效应器件在室温下8.05μm中波红外的响应信号,插图:器件的光伏响应(上)与结构示意图(下);(B)黑砷磷场效应器件的光电流随偏压及栅压的变化关系,揭示光伏效应和光热电效应分别起主导作用;(C)b-AsP-MoS2异质结光电探测器光学显微镜照片,标尺5μm;(D)室温下b-AsP-MoS2异质结光电探测器的比探测率与商用PbSe探测器及商用热敏电阻探测器的对比。
 
  该工作以“Room temperature high-detectivity mid-infrared photodetectors based on black arsenic phosphorus”为题于2017年6月30日发表在Science子刊:《Science Advances》杂志上(Science Advances, 3, e1700589(2017))。
 
  南京大学物理学院博士生龙明生和高安远为论文的共同贡献作者,缪峰教授、以及电子学院王肖沐教授和提供实验协助的上海技术物理所胡伟达研究员为该论文的共同通讯作者,该工作的合作者还包括香港中文大学的许建斌教授、慕尼黑理工大学的Tom Nilges教授、上海技术物理研究所的陆卫研究员和陈效双研究员。
 
  该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心的支持,以及国家杰出青年科学基金、科技部“量子调控”国家重大科学研究计划(青年科学家专题)项目、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金等项目的资助。
 
  (原文标题:缪峰教授课题组及合作团队在Science子刊报道室温中波红外光电探测器重要进展)
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