近年來，中波紅外在熱成像、分子鑒定、自由空間通訊、光學(xué)雷達(dá)等方面獲得越來越重要的應(yīng)用。目前使用較多的碲鎘汞紅外探測器需要低溫制冷，使用非常不便，價(jià)格也極其昂貴；非制冷（室溫）紅外探測器的發(fā)展，可以滿足眾多應(yīng)用領(lǐng)域，成為紅外探測研究領(lǐng)域中極具關(guān)注度的方向。
目前非制冷紅外探測器的主流技術(shù)為熱敏電阻式微輻射熱計(jì)，根據(jù)使用的熱敏電阻材料的不同分為氧化釩探測器和非晶硅探測器兩種，但是比探測率偏低，響應(yīng)時(shí)間慢，其核心技術(shù)也受到國外的封鎖。
針對這方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授課題組及科研合作團(tuán)隊(duì)利用新型窄帶隙二維材料“黑砷磷”（b-AsP）及相關(guān)范德華異質(zhì)結(jié)，成功實(shí)現(xiàn)了室溫性能超越現(xiàn)有商用技術(shù)的高靈敏中波紅外光電探測，為推動(dòng)二維材料在紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用邁出重要一步。該工作于近期發(fā)表在Science Advances [3, e1700589 (2017)]上。
圖1 （A）黑砷磷場效應(yīng)器件在室溫下8.05 μm中波紅外的響應(yīng)信號，插圖：器件的光伏響應(yīng)（上）與結(jié)構(gòu)示意圖（下）；（B）黑砷磷場效應(yīng)器件的光電流隨偏壓及柵壓的變化關(guān)系，揭示光伏效應(yīng)和光熱電效應(yīng)分別起主導(dǎo)作用；（C）b-AsP-MoS2異質(zhì)結(jié)光電探測器光學(xué)顯微鏡照片，標(biāo)尺5 μm；（D）室溫下b-AsP-MoS2異質(zhì)結(jié)光電探測器的比探測率與商用PbSe探測器及商用熱敏電阻探測器的對比。
該課題組近年來在二維材料可見和近紅外光電探測器領(lǐng)域已取得若干研究進(jìn)展（Nano Lett. 16, 2254 (2016)；Adv. Func. Mater. 26, 1938 (2016).）。在此基礎(chǔ)上，這項(xiàng)工作選取了黑砷磷這樣一種新型的窄帶隙二維材料。這類材料通過元素砷同族摻雜黑磷得到，特定比例的黑砷磷b-As0.83P0.17已被發(fā)現(xiàn)其帶隙可被調(diào)節(jié)至 ~ 0.15 eV，展現(xiàn)了在中紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
該工作首先利用機(jī)械解理法得到b-As0.83P0.17的薄層樣品，制備了場效應(yīng)光晶體管，在室溫下觀察到8.05 μm中波紅外的響應(yīng)（圖1A），成功進(jìn)入紅外的第二個(gè)大氣窗口。通過對探測器工作機(jī)制進(jìn)一步的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)和光熱電效應(yīng)分別在不同背柵電壓下會(huì)起到主導(dǎo)的作用（圖1B）。
為了克服窄帶隙半導(dǎo)體室溫下暗電流和噪聲較大從而導(dǎo)致器件性能顯著下降的挑戰(zhàn)，利用二維材料定向轉(zhuǎn)移的工藝，將不同摻雜的n型MoS2與b-As0.83P0.17（p型）堆疊在一起形成范德華異質(zhì)結(jié)（圖1C）。測試結(jié)果顯示這種結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)有效降低了器件的暗電流和噪聲，室溫比探測率可高達(dá)5×109 Jones，比目前被廣泛使用的PbSe紅外探測器的峰值探測率高了近1個(gè)量級（圖1D）。該結(jié)果也充分展示了基于窄帶隙二維材料的范德華異質(zhì)結(jié)在中波紅外探測領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
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