电场及力场增强二维材料光电探测器的研究进展

二维材料光电探测器作为新型光电探测器,具有带隙可调、易于制备柔性器件等诸多优点。进一步丰富了光电探测器的应用前景。与此同时,二维材料光电探测器也需要一定程度的优化,例如解决二硫化钼难以实现双极性调控的问题。

电场增强二维材料光电探测器利用可控的电场对二维材料光电探测器进行增强,提高探测器的响应度,产生的增强效果是可调控的。通过电场增强二维材料光电探测器采用外界因素影响二维材料的方式实现对探测器的改良,二维材料本征属性并没有改变。力场增强二维材料光电探测器则是通过力场来改变二维材料的本征属性,实现对探测器的改良。

麦姆斯咨询报道,近期,华北光电技术研究所李景峰等人在《激光与红外》期刊上发表了以“电场及力场增强二维材料光电探测器的研究进展”为主题的综述文章。

这项研究着重介绍研究人员通过利用离子导体,铁电材料,局域栅等电场方式以及施加应力的力场方式对二维材料光电探测器进行增强。从而解决二维材材制备的探测器存在的一些问题,并分析现有研究的不足之处,并对其未来发展进行展望。为相关研究人员提供一定程度的参考。

电场增强中,为了提升探测器的性能,需要制备n-p结型光电探测器,以至三极管型光电探测器,因此二维材料进行双极性调控是很有必要的。然而在具有典型代表的二硫化钼光电探测器中,由于二硫化钼器件中沟道材料和电极之间存在强烈地费米钉扎效应,使得利用不同功函数的金属制备二硫化钼器件的电极时,器件中沟道二硫化钼始终显示为n型半导体的类型,无法通过将制备电极的金属替换成高功函数的金属来调节成p型,采用常规器件工艺很难制备p-n结型二硫化钼光电探测器。

为了解决该问题,研究人员利用具有双电子层的离子栅导体作为栅介质来调控二硫化钼。对于电场增强二维材料光电探测器,还可以采用有机铁电材料作用栅介质材料,对二维材料的暗电流进行调控。此外对于易实现双极性调控的二维材料,可在其光电探测器中制备局域埋栅结构,实现局域的调控,从而制备出p-n结的光电探测器,利用p-n产生的内建电场有效分离光生电子空穴对。这种探测方式,相比于光导型的突出优点就是不需要施加偏压,就可以实现光探测,有效降低电能消耗。

双电子层示意图

对于二维材料二硫化钼来讲,常规固态电介质材料很难将沟道二硫化钼调控成双极性。而有机离子导体作为栅极电介质材料,虽然可以实现将沟道二硫化钼调控成双极性,但是利用有机离子导体制备的栅极很难实现局域化的调控效果。并且有机离子导体栅的制备过程,与传统半导体器件的制备工艺不兼容。因为传统半导体器件制备中涉及到丙酮等有机试剂的使用,这会对有机物产生破坏。因此需要寻找具有高效调控能力的电介质材料(可以调控二硫化钼这类难调控的二维材料),且该种材料与传统半导体工艺兼容。

力场增强中,石墨烯零带隙能带结构难以大量吸收入射光,导致石墨烯器件光响应度较低。通常不超过10mA·W-1,需要通过力场打开石墨烯带隙,提高器件的光响应。而二硫化钼光电探测器中也存在响应速度慢的问题。

力场增强二维材料光电探测器的主要形式是对沟道二维材料施加应力。石墨烯带隙的打开可以提高石墨烯的光吸收,从而提高石墨烯光电探测器的性能。对于二硫化钼等过渡族金属硫族化合物,施加应力可以有效调控材料的带隙。同时施加应力也可有效调控材料的载流子迁移率,从而提高二维材料光电探测器的响应速度。

对二维材料施加应力方式

这项研究详细介绍了力场及电场增强二维材料光电探测器的研究进展,电场增强二维材料,虽然可以实现将沟道二硒化钨调控成双极性,但二硫化钼局域的双极性调控实现难度比较大。需要新工艺的开发;力场增强二维材料方面,现阶段对二维材料施加应力的方式很难精确控制施加应力的强度,如果操作不慎,很容易破坏材料。工艺难度较高,很难大规模进行生产应用。需要新的工艺进一步开发。综上所述,电场及力场增强二维材料光电探测器取得了一定的成就进展,还需要进一步的发展,提高电场及力场增强实际应用的可行性。

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