《Nano Letters》报道缪峰教授、王伯根教授课题组二维材料异质结红外探测器...

物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的缪峰教授课题组和王伯根教授课题组合作，在基于新型二维材料异质结的红外探测器研究领域取得重要进展，相关论文于2016年2月17日发表在《Nano Letters》杂志上(Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04538 (2016))。该工作主要由南京大学和上海技术物理所合作完成，邢定钰院士指导并参与了本文的工作。该论文的第一作者是物理学院博士生龙明生，通讯作者是南京大学缪峰教授、王伯根教授及上海技物所胡伟达研究员。

以石墨烯为代表的二维材料因为原子级的厚度以及在电学、光学、热学、机械等方面的优异性能，有望在众多领域获得广泛的应用。目前已知或处于探索阶段的二维材料包括了从导体（例如石墨烯）、半导体（例如过渡金属硫族化合物）到绝缘体（例如氮化硼）的众多种类，这些材料还可以进行可控转移和堆垛，实现原子尺度的同质或异质结，从而为人们在信息器件领域实现可能的突破提供了重要的机遇。

这项工作创造性地设计了一种被称为“p-g-n”的新型范德瓦尔斯异质结，即选取两种不同掺杂的半导体二维材料（p型和n型）和石墨烯（g），将石墨烯作为中间层堆垛实现原子层厚度的三明治结构（图a）。该结构中，原子层厚度p-n结因为强内建电场的存在，可以有效降低暗电流和提高响应速度；石墨烯因为具有零带隙和线性色散关系，能够有效实现宽波段吸收。在实验上，按照上述器件设计思路，这项工作结合机械解理、定向转移及微纳加工工艺，得到了高质量具有原子级平整界面的WSe2 (p型)-graphene (g)-MoS2(n型)异质结探测器器件，并观测到非常优异的性能（图b）。在可见光波段的激光照射下，p-g-n异质结探测器光电响应率达到4250 A/W，比探测率达到1015 Jones；在近红外波段和通信波段，响应率达到安每瓦的量级，比探测率达到1011Jones的量级，并在室温下实现了2.5 um的红外波段探测。此类探测器也表现出非常快的响应速度，实验分别观察到53.6us的上升时间和30.3us的下降时间（图c）。

（a）p-g-n探测器工作原理示意图；（b）p-g-n器件光电响应率和比探测率随入射波长变化图（插图：器件显微镜照片）；（c）器件时间响应图。

对于二维材料探测器，单一材料不是完美的选择，例如基于石墨烯的光探测器由于光生载流子寿命过短和暗电流过大等因素，响应率受限；单一过渡金属硫族化合物探测器由于带隙的限制，存在探测波段有限（红外吸收截止）的缺点。这项工作的意义在于，发现通过巧妙利用二维材料异质结可以完美地解决了这一系列问题，并表明二维材料异质结构有可能在未来电子及光电领域实现广泛的应用。

该项研究得到科技部“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、科技部国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家自然科学基金等资助。

附：

文章链接 http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b04538；

缪峰教授课题组主页 http://nano.nju.edu.cn/

（物理学院 科学技术处）