基于零维材料的光电探测器原子结构

基于零维材料的光电探测器原子结构

目前常用的红外光电探测器材料有碲镉汞、锑化铟、Ⅱ类超晶格等。其中，碲镉汞红外光电探测器由于量子效率高、波长易控等优点成为红外光电探测器的主流选择。然而，碲镉汞的固有缺陷和长波难控制等缺点难以避免，瓶颈问题难以突破。为满足光电探测器高性能、低成本的发展需求，一些研究者通过开发新的材料体系来制备新型红外光电探测器（如零维、二维材料光电探测器），从而实现能带剪裁并在特定领域具有独特的优势。

这项研究介绍了具有代表性的量子点、石墨烯、过渡金属硫化物和黑磷等新型探测器材料的基本结构、特点以及发展现状，并就未来发展方向和应用领域进行了预测。

三种光电转换机理对应的能带图和典型光电特性

（a）多维度碳材料结构图；（b）金属、石墨烯、金属型石墨烯光电探测器的结构图

过渡金属硫化物（MX2）探测器中，超薄二硫化钼（MoS2）是过渡金属硫化物半导体材料的典型材料之一。MoS2的光响应范围较广，但在红外波段的光响度特别低。

二硫化钼光电探测器

黑磷（BP）是一种不同于石墨烯和过渡金属硫化物的二维光电材料。超薄BP在近红外和可见光波段都具有较好的光电响应，近几年，BP的探测范围能达到中红外波段。BP成为新型光电探测器的潜力材料之一。

（a）自支撑BP柔性光电探测器；（b）InP量子点/黑磷探测器；（c）六方氮化硼（hBN）/黑砷磷/ hBN探测器

这项研究系统介绍了红外光电探测器中零维和二维材料的原子结构和能带特点，总结了新型探测器的研究现状和性能优化方向。量子点探测器具有抗辐射和高探测度的特点，未来主要应用于空间领域。二维材料主要采用光导效应、光栅压效应、光伏效应等三种光电转换机理，主要材料是以石墨烯、MoS2为代表的过渡金属硫化物和BP。系统介绍了三种材料的能带体系、材料制备、器件工艺以及后续发展方向。低维材料光电探测器的理论性能优良，但受限于目前的材料制备和器件工艺，其性能仍需要提升。未来经过发展，高性能、低成本的红外光电探测器将会满足不同领域的需求。