Small Science:二维材料红外探测成像研究

光承载着信息,能检测到越多的光,便拥有越多的世界。从检测光信号有无获得的黑白图像,到区分信号强度获得的灰度图像,以及区分波长和强度信息获得的彩色图像,直到区分光子的自旋及偏振信息获得的量子图像,光的检测和成像始终为我们提供着现实世界的重要现象和关键过程。特别是红外光谱,包含了常温下分子振动和热辐射的特征信息,对科学研究和工业应用具有重要意义,迫切需要开发高性能、高集成度的红外光电检测和成像器件。由于其优异的性能,2D材料有望克服硅基光电探测器严重的制造成本和集成问题,为红外成像的普遍应用提供机会。目前,已有数十种二维材料被用于制造红外光电探测器。超薄的2D材料光电器件易于加工和集成,将在分子化学、光谱分析、生物医学成像、人工视网膜、环境监测、红外通信和光互连应用等领域展示超乎想象的应用。

近日,南京理工大学曾海波教授团队在Small Science上综述了近几年 用于红外探测和成像的二维材料方面的进展,以探索最先进的红外成像器件设计方案(论文信息附后)。首先,作者简要介绍了基于光电效应和光热效应等的红外探测原理,并讨论了两种成熟的红外成像策略,包括单像素成像(Single pixel imaging)和阵列成像(Array imaging)。而后,作者列举了可用于红外探测和成像的二维材料,包括用于宽谱探测的石墨烯类单原子层材料,用于近红外探测的VI B-VI A族材料,用于近中红外探测的V-VI族材料,用于宽谱探测的VIII-VI 族材料,以及相应的范德华异质结等。然后,作者总结了红外成像器件的设计方案,根据探测信息和探测方式不同,可以分为基于光的强度(Intensity)的单像素成像(SI)和阵列成像(AI)策略,和基于光的偏振(Polarization)的单像素成像(SP)和阵列成像(AP)策略。最后,对器件的集成设计进行了展望,以探索基于信息综合成像显示完整红外世界的可能。大量高性能材料逐渐构成红外探测的硬件设备网络,可用于基于波长、强度以及偏振信息的宽光谱全方位成像,开启夜视、气象、环境监测和医学诊断等方面的工业应用。

另外,市场上的光电探测器主要基于硅基半导体,具有高性能、高成熟度和高集成度,但它们存在高昂的制造成本,并且器件具有极大的刚性和脆性,局限于小批量、高价值的市场,这阻碍了红外探测和成像的广泛应用。二维材料具有结构紧凑、器件多样、与硅兼容、易于加工和集成、折叠灵活透明等特点,在光电探测成像领域预示着巨大的市场价值和深远的经济影响。

论文信息:

2D Material-based Photodetectors for IR Imaging

Zhongzhou Cheng, Tong Zhao, Haibo Zeng*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100051

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202100051