Advanced Materials:紫外至太赫兹波段二维材料光电探测器

2004年石墨烯的发现掀起了二维材料研究的热潮,至今为止已经发现了数百种二维材料。二维材料由于具有独特的光学和电学性质已经在太阳能电池、光催化、光电探测器等多领域有重要的应用。厚度薄的特点使其成为光电器件小型化的重要潜在材料,但也导致了二维材料探测器量子效率低、阻值大,噪声大等问题。

中科院上海技术物理研究所黄志明课题组近日在Advanced Materials上综述了近年来紫外至太赫兹波段的二维材料光电探测器的研究进展(论文信息附后)。作者们首先介绍了二维材料的光学性质及现有的二维材料光电探测器的探测机理,主要包括光电导效应、光诱导浮栅效应、电磁诱导势阱效应(EIW)、光伏效应、光热电效应、光热效应和等离子体波效应。其中EIW能够利用二维材料厚度薄、迁移率高等优势,有望实现二维材料光电探测器高性能快速响应。然后对探测器的优值因子进行介绍,指出具有高开关电流比(~103以上)的二维材料场效应晶体管的散粒噪声只考虑暗电流而不是工作电流,会导致相关探测器的探测率被高估至少1-2个数量级。另外,归纳总结了近年来紫外至太赫兹波段的二维材料光电探测器及提升探测器性能的策略,包括带隙工程、制作同质结、异质结及与纳米线等其他材料的混合器件。并将现有二维材料光电探测器的性能与传统半导体材料的探测器性能进行比较,相比而言二维材料光电探测器难以兼顾高性能与快速响应。最后,文章认为二维材料面临着大面积、高质量、均匀生长的挑战,并且二维材料的稳定性也有待提高;二维材料光电探测器,需要充分利用二维材料厚度薄的优势及其与光相互作用的物理本质,发展合适的二维材料光电探测机理,提升二维材料的光吸收、降低器件的暗电流及加快器件的响应时间。文章指出利用二维材料厚度薄、迁移率高等优势的EIW机理有望使得二维材料探测器实现高性能的光电探测。

论文信息:

Photodetectors of 2D Materials from Ultraviolet to Terahertz Waves

Qinxi Qiu, Zhiming Huang*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202008126