翟天佑Small: 二维金属硫族化物红外光电探测器综述

【引言】

红外探测器广泛应用于热成像、生物成像、夜视仪和信息通讯等领域。根据探测波段，往往将红外探测分为三个波段：近红外（NIR,750 nm-3 μm），中红外（MIR,3 μm-15 μm）和远红外（MIR,15 μm-1 mm）。目前，探测这三个不同波段需要用到不同技术。近红外波段采用硅、锗和铟镓砷等传统商用半导体材料，中红外则往往采用窄带隙半导体材料如硫化铅、硒化铅和碲镉汞等，远红外则常采用热传感技术。以上传统的红外探测尽管已经相当成熟，但仍然面临着一些问题，如：加工成本昂贵、工作条件苛刻（需要保持低温）和含铅、汞毒性元素等。此外，传统半导体的小型化困难和低柔性也阻碍了其在可弯曲柔性光电子领域的具体应用。因此，迫切需要一种新型材料，它具有合适的带隙、宽带光谱范围内的高吸收效率及高柔性，并且能够利用节约型技术制备简化、小型化和功能化的器件来实现红外探测。

十多年来，二维材料凭借其优异的物理和物理化学特性，成为下一代电子和光电子器件的一个独特而有前途的材料家族。原子层厚度的二维材料具有很高的机械灵活性和反弹性，为柔性和可弯曲探测器提供了机会。其自然钝化的表面没有悬挂键，使得其容易集成到任何基板上。此外，由于二维材料具有丰富的电子特性，其带隙可以覆盖紫外(UV)到太赫兹频率(THz, 10¹²赫兹)波谱范围。二维金属硫族化合物（2DMCs）广泛应用于红外探测领域，展现了高响应度、高探测度、偏振敏感探测、响应速度快以及灵活性等优点。同时，基于2DMCs的杂化异质结也展现出优异的红外探测性能，例如，响应度高达10⁶A W^-1的MoS₂/HgTe器件，探测度高达10¹⁶Jones的WSe₂/In₂O₃器件以及探测波段可达3.5μm的Bi₂Se₃/Graphene器件等。这类通过物理/化学气相沉积法和机械剥离法制备的二维光电探测器件具有较低的暗电流，使得这类红外探测器可以在室温下进行工作（不需要使用液氮降温），这降低了传统红外探测器面临的复杂工作条件带来的限制。得益于这些卓越的特性，2DMCs红外光电探测器弥补了目前传统红外光电探测技术的不足，并且有望实现高性能的红外光电探测器。

【成果简介】

基于2DMCs红外光电探测的研究进展，华中滚球体育 大学翟天佑教授（通讯作者）等人对此进行了细致的梳理，并且在Small上发表题目为“2D Metal Chalcogenides for IR Photodetection”的综述文章。该综述首先介绍了光电探测器的光电流产生物理机制和主要性能参数。随后对各类2DMCs红外光电探测材料进行了汇总，包括过渡金属硫族化物和IIIA、IVA和VA硫族化合物等。进一步介绍了2DMCs杂化异质结在红外光电探测的研究进展。根据上述分类，总结了基于2DMCs的红外探测器，并对红外探测技术的发展方向进行了展望。

【图文简介】

图1 2DMCs材料体系与杂化异质结

图2光电探测器类型与基本原理分类

图3 MoS₂基红外探测器

(a) MoS₂基光电晶体管结构；

(b) MoS₂基光电探测器在980nm、1550nm波长处的光响应行为；

(c) MoS_2.15光电探测器在中红外激发激光波长下的响应特性；

(d) 基于三层MoS₂的铁电光电晶体管的响应度随入射波长的变化。

图4其它TMDs基红外光电探测器

(a) 3R-MoTe₂光电探测器响应谱；

(b) 3R-MoTe₂光电探测器不同光功率下的I-V曲线；

(c) HfS₂近红外光电晶体管的响应度和光增益随光强变化曲线；

(d) 双层PtSe₂在不同光波长下的I-t响应曲线。

图5 IIIA、IVA和VA金属硫族化合物基红外探测器

(a) β-In₂S₃红外探测器的光谱响应曲线；

(b) β-In₂S₃红外探测器对不同光波长的响应行为；

(c) 基于各向异性GeSe的偏振光探测器在808nm激光照射下的示意图；

(d) GeSe光电探测器的偏振光电流；

(e) Bi₂Se₃光电探测器在不同温度下的响应度和探测度；

(f) Bi₂Se₃光电探测器在不同温度下的I-t响应曲线。

图6 2D三元金属硫族化物红外探测器

(a) 2D Ta₂NiSe₅的晶体结构；

(b) 2D Ta₂NiSe₅光电探测器在808nm激光下的的I-V曲线；

(c) 2D Bi₂O₂Se光电探测器的示意图；

(d) 2D Bi₂O₂Se光电探测器在1200nm和1550nm波长下的响应度。

图7 2DMCs/0D QDs or NPs杂化异质结红外光电探测

(a) 稀土上转换纳米颗粒(UCNPs)/MoS₂光电探测器结构示意图；

(b) 2D MoS₂/0D UCNPs光电探测器在980nm光电响应特性；

(c) 2D MoS₂/0D PbSe杂化光电探测器在不同波长下的响应度；

(d) MoS₂/TiO₂/HgTe杂化光电探测器在不同波长下的响应度。

图8 2D WSe₂/1D In₂O₃异质结红外探测

(a) 2D WSe₂/1D In₂O₃异质结红外探测的结构；

(b) 2D WSe₂/1D In₂O₃异质结红外探测在不同光强下的响应度和探测度。

图9 2DMCs/2D纳米结构红外光电探测

(a) 原子层厚度WSe₂/Graphene/MoS₂光伏型光电探测器结构示意图；

(b) WSe₂/Graphene/MoS₂光电探测器的宽光谱响应；

(c) h-BN/MoTe₂/graphene/SnS₂/h-BN光电探测在不同光强下的响应度和EQE；

(d) WS₂/MoS₂异质结光电探测器在不同波长下的I-V曲线。

图10 2D Bi₂Se₃/3D Si半导体异质结光电探测器

(a) 2D Bi₂Se₃/3D Si光电探测器的结构；

(b) 2D Bi₂Se₃/3D Si光电探测器的I-t响应曲线。

【小结】

该综述详细汇总了近些年2DMCs在红外光电探测器的研究进展，从2DMCs材料种类以及不同类型的2DMCs异质结器件进行分类阐述。

文献链接：2D Metal Chalcogenides for IR Photodetection,2019, Small, DOI:10.1002/smll.201901347.

【团队介绍】

翟天佑，华中滚球体育 大学材料科学与工程学院教授/博士生导师，材料成形与模具技术国家重点实验室副主任/首席教授，国家杰出青年基金获得者，滚球体育 部中青年滚球体育 创新领军人才，全球高被引科学家，英国皇家化学会会士，国家优秀青年基金获得者，曾获国家自然科学二等奖（5/5），中国化学会青年化学奖和湖北省青年五四奖章。2003年本科毕业于郑州大学化学系，2008年博士毕业于中国科学院化学研究所，师从姚建年院士。2008-2012年在日本物质材料研究机构先后任JSPS博士后(合作导师Yoshio Bando教授)和ICYS研究员。主要从事二维材料与光电器件方面的研究，以第一或通讯作者身份在Chem. Soc. Rev. (2), Adv. Mater. (20), Angew. Chem. Int. Ed. (3), JACS (2), Nat. Commun. (1), Adv. Funct. Mater. (24), ACS Nano (5)等期刊上发表论文160余篇(74篇IF>10，128篇IF>5)，所有论文SCI期刊引用近12000次，H因子58。主持编纂英文专著1本，受邀撰写两本专著中的5章；申请中国和日本专利15项，授权6项；先后担任Science Bulletin和 Frontiers in Chemistry副主编，《科学通报》、《无机材料学报》、《无机化学学报》编委。担任中国化学会青年化学工作委员会委员，中国材料研究学会青年委员会理事和纳米材料与器件分会理事，中国电子学会半导体滚球体育 青年专委会委员等。

课题组链接：http://zml.mat.hust.edu.cn

本文由金也编译供稿。