二维材料光电探测器及光场增强的研究进展

随着现有社会的不断发展，对光电探测器的需求不断提高，但现有传统材料探测器的发展已进入瓶颈期，亟需新材料的出现，使光电探测器得到进一步的发展。石墨烯等新型二维材料相比于传统材料，具有可做成原子级尺寸、能带可调、具有柔韧性等突出优点。可满足当今社会对光电探测器性能，尺寸等方面更高需求。因此二维材料光电探测器被广泛研究，取得了丰硕的研究成果。然而二维材料光电探测器存在明显优势的同时，也存在着明显的不足之处。这将限制其在更多领域的应用，需要通过一些手段进一步优化探测器的性能。

据麦姆斯咨询报道，近期，华北光电技术研究所王成刚团队在《激光与红外》期刊上发表了以“二维材料光电探测器及光场增强的研究进展”为主题的综述文章。王成刚主要从事红外光电器件方面的研究工作。该研究第一作者为华北光电技术研究所的李景峰。

这项研究着重介绍现有二维光电探测器的研究进展，并介绍通过超材料、谐振器等方式实现光场增强，从而提高探测器的性能。

常见二维材料制备的光电探测器主要有：石墨烯光电探测器、二硫化钼光电探测器、具有各向异性的二维材料的光电探测器（二硫化铼、黑磷）。

石墨烯的结构是呈现蜂巢状，由碳原子经过sp2轨道杂化形成的，其中原子轨道呈现为平面三角形的结构。此外每个碳原子还有一个未参与杂化的p轨道，p轨道上的电子会形成一个离域的大π键，从而使电子更容易在石墨烯表面上自由运动，这也是石墨烯具有超快载流子迁移率的原因之一。石墨烯的能带结构在倒格子k空间中，可以得到狄拉克锥结构，因此纯净的石墨烯为电中性。通过对石墨烯费米能级的调控，很容易将石墨烯中多数载流子类型调节成n型或p型，便于石墨烯应用于制备双极性器件。由于石墨烯的色散关系（即波矢与能量的关系）是线性的，石墨烯可以表现出许多独特的光电特性。

石墨烯光电探测器

随着过渡族金属硫族化合物制备成功，有效弥补了石墨烯光吸收弱这一缺点。因为过渡族金属硫族化合物具有一定的带隙，且一定程度上带隙可以通过一些方式（例如：对材料施加应力的方式）进行调控，使过渡族金属硫族化合物制备的光电探测器在一些方面的性能参数会优于石墨烯光电探测器。过渡族金属硫族化合物是一类二维材料的统称，其化学构成式具有统一的形式，即为MX2，二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、二硒化钨（WSe2）等是其中的代表材料。二硫化钼块体材料在自然界中主要存在于辉钼矿里。二硫化钼片层结构可以通过机械剥离，液相剥离的方式得到，也可以通过化学气相沉积方式生长得到。二硫化钼单层原子结构为三明治结构。利用二硫化钼能带结构可随其层数变化而发生变化这一特点，可为光电探测器的制备提供多种选择。

二硫化钼光电探测器

光场增强二维材料光电探测器是增强二维材料光电探测器的重要手段。光场增强二维材料光电探测器的原理是将光增强吸收的结构置入到二维材料光电探测器中，增加入射光与二维材料沟道作用的次数，或是将光增强吸收的结构中吸收光产生的热载流子导入到二维材料沟道之中，这种结构大部分是超材料结构。本研究中光场增强中主要是利用超材料的表面等离激元共振，F-P腔共振等原理产生强光吸收，使二维材料光电探测器不再受材料与光单次吸收光的吸收效率的影响。常见光场增强的结构有光波导、纳米阵列、光栅、光学微腔等。目前主要通过在石墨烯光电探测器中置入金纳米阵列、光学微腔等方式可以在特定波长下，增强石墨烯光电探测器的光响应度，宽谱领域的探测研究还比较少。

光场增强二维材料光电探测器

本研究详细介绍了二维材料光电探测器发展现状，其经过十多年的发展，其在各波段探测都有了显著的研究进展，成果丰硕。同时也需要通过一些手段，进一步改善其性能。随后介绍了通过光场增强的方式来增强石墨烯等二维材料光电探测器研究进展，现阶段研究实现了在特定波段的增强，但宽谱范围探测增强研究还较少，需要加大宽谱光增强二维材料的研究，进一步拓展二维材料光电探测器在宽谱探测领域的应用。

审核编辑 ：李倩