摘要:二維材料異質結構是指兩種或多種不同的二維材料(石墨烯、硫屬化合物、黑磷等)緊密堆積構成的異質結，以及由二維材料與其他納米材料或結構緊密接觸所構成的復合結構。其具備了異質結構雙方或多方所擁有的優異特性，表現出優異的電子、光學、光電特性，已引起了國內外的廣泛關注。特別是在光電探測領域，近年來進展非常迅速。本文將主要介紹二維材料異質結構光探測器件的最新研究進展以及面臨的問題，并對后期的發展前景進行了相關的討論。

　　關鍵詞:二維材料;異質結構;光電探測;電荷轉移

　　1引言

　　半導體光電探測器是利用半導體材料內的光電效應來接收和探測光信號的器件，由于其在現代精密分析、測量和診斷儀器中是必不可少的部件，被稱為光電器件系統的心臟。然而，常規的半導體光電探測器通常存在響應度低、探測波段窄、響應時間慢、分辨力不高、探測靈敏度低、工作環境要求高等單個或多個問題。所以，實際應用中，迫切的需要一種既能實現寬波段響應，又具備較高的響應度及響應速度，且能在常溫下工作的紅外光探測器件。

　　自從石墨烯被發現后，二維材料的家族成員不斷壯大，MoS2等二維硫屬化合物，BN，phosphorene，silicone，germanene等的出現使得二維材料也愈發多元化，其潛在的應用價值也不斷被國內外科學家們所發掘。隨著二維材料在光電探測器、激光器、發光二極管、太陽能電池等領域的迅速發展，二維材料異質結構也逐漸成為光電子領域的新起之秀，其內在特殊的物理現象也成為目前國際上科學研究的熱點。

　　二維材料異質結構是指兩種或多種不同的二維材料緊密堆積構成的異質結，以及由二維材料與其他納米材料或結構緊密接觸所構成的復合結構。由于構成異質結構的兩種或多種材料具有不同的帶隙、電學特性、摻雜類型、光學吸收及發光、介電常數、功函數等，異質結構能夠表現出不同于單一材料的性能，以異質結構為主體的電子或光電子器件的性能也往往比單一材料制備的同類器件更加優越。

　　二維材料異質結構光電探測器由多種具有不同物理特性的二維材料或非二維材料接觸所構成，表現出了優于單一半導體材料所構成的同類器件的性能，近年來在器件的設計、開發和性能改善方面都獲得了極大的發展。

　　2二維材料異質結構光電探測

　　二維材料異質結構集成了多種材料的優點，取長補短，克服單一材料的缺陷，甚至會由于材料間獨特的耦合機制而發揮出原有材料所不具備的新穎特性，有望能在光探測領域獲得較大的突破，以滿足以上所提出的實際應用需求。

　　2.1二維材料光電探測

　　自從石墨烯在2004年發現以來，二維材料種類不斷增多，對二維材料的研究也不斷深入，這些新穎的二維材料為高性能光電器件的設計和制備提供了新的機遇，特別在光電探測器方面[1]。但是這些新型的二維材料在彌補傳統光電探測器缺點的同時也可能會帶來新的不足。例如，石墨烯具備極高的載流子遷移率、非常好的低維熱學及結構穩定性、超寬的光譜吸收范圍，以及電子濃度的電場可調制性，被認為是極具潛力的電子或光電子材料，基于石墨烯的光電探測器的研究已成為科技前沿[2]。

　　但是石墨烯的零帶隙結構使得其光學吸收不強、電子空穴對極易復合，導致器件響應度不高(<6mA/W)。科學家們紛紛將焦點聚集在二維材料異質結構[3-4]，因為其不僅能保留單一或多種二維材料的優越性能，而且由于材料之間獨特的耦合機制可能會產生新穎的光電特性。

　　2.2二維材料異質結構

　　不同的二維材料性質各異，將他們有效的復合可發揮各自的優勢，起到互補的作用。例如石墨烯+MoS2異質結充分發揮了石墨烯的高遷移率以及MoS2良好的光學吸收特性，在低溫下響應度可達1×1010A/W。

　　除了讓MoS2作為石墨烯探測器的吸收層，還可以利用材料功函數的差異制備P-N結，所形成的勢壘能有效的將光致電子空穴對分離，使得器件性能得到極大的改善。常規的水平結構P-N結雖然可有效分離電子空穴對，但是結區有效作用面積小，ChangOhKim等人通過疊加極性不同的兩層石墨烯獲得了原子層厚度的垂直P-N結，極大的增加了結區面積，獲得了高達1A/W的響應度，探測能力也達到了1012cmHz1/2W-1。

　　Chul-HoLee等人則選擇兩種摻雜類型不同的二維材料(p型的WSe2和n型的MoS2)制備成垂直P-N結并獲得了優異的光電探測性能。這些異質結構器件無需外加偏壓即可工作，大大降低了器件的功耗并提升了探測率。基于垂直方向的電子輸運，在兩層石墨烯中間插入一層材料作為分離層所形成的這類異質結也能極大的提高石墨烯探測器的性能。

　　在兩層石墨烯中分別插入MoS2，WS2等光學功能二維材料，利用石墨烯費米面簡單可調的特性使其作為可調諧電極，有效的分離中間TDMS材料所產生的光致電子空穴對，進而提高器件的響應度和量子效率[6]。

　　除了在石墨烯中間插入吸光材料，也可在其間插入介質層，Chang-HuaLiu等人在兩層石墨烯中插入Ta2O5等材料作為隧穿層阻擋電子空穴對的復合，在中紅外的響應度達1A/W，有效改善了石墨烯響應低的問題，更重要的是其探測范圍從可見光到中紅外波段(且具備高速響應)，展示了石墨烯在更寬波段的應用前景。

　　異質結探測器主要是用兩種不同性質的材料構建器件以彌補單一材料光電特性的不足，必要時，也可復合三種或更多材料來更好的改善器件的性能。Gwan-HyoungLee等人在柔性襯底上以石墨烯為底柵，BN為介質層，制備了MoS2場效應管，不僅提升了MoS2的遷移率(達45cm2/Vs)，也在1.5%應力作用下測試獲得了穩定的性能。這預示了異質結在柔性器件領域也有著廣闊的應用前景。

　　2.3二維材料與其他材料的異質結構

　　石墨烯與傳統光電材料硅的復合，對光電探測器的性能也有很大的改善，XiaohongAn等人將石墨烯疊加在n型摻雜硅上構成異質結，該探測器響應度約435mA/W，器件開關比達104，其光電轉換效率>65%，而且工作波長從可見延伸到近紅外。XuetaoGan及XiaomuWang等人將石墨烯與光學硅波導集成得到的異質結構在中紅外(～2.75μm)的響應度達～0.1A/W，并獲得超過20GHz的高速響應[7]，這也展示了石墨烯與目前的硅半導體工藝的高兼容性。另一種提高光吸收的途徑就是利用表面等離激元效應。

　　YuanLiu等人在石墨烯上耦合一層金等離激元納米結構，使得器件的響應度提高了15倍。另外也可在石墨烯上復合半導體量子點，利用量子點對光的高效吸收增加探測器的響應度。GerasimosKonstantatos課題組通過在石墨烯上復合PbS量子點，使探測器響應高達107A/W。在紫外光響應方面，HaixinChang等人利用石墨烯和ZnO納米棒的異質結構首次制備了高靈敏紫外光電傳感器，其紫外光響應度達22.7A/W。

　　盡管目前的很多研究已經有效提升了二維材料光探測器性能，但是仍然存在不少挑戰，如不能同時兼具快速、寬波長響應及高靈敏度等特點。從當前研究現狀來看，尋找新型異質結構材料、設計新原理器件將是解決以上問題的有效手段。

　　3總結

　　本文主要針對二維材料及其異質結構在光電探測領域的研究進展進行了討論。二維材料在光電探測領域具有重要的應用優勢，將其制備成異質結構或與其他傳統材料相結合，更能發揮出優異的性能。然而，在該領域還存在著如下的問題，有待進一步解決。

　　(1)尋找合適的異質結材料:不同的二維材料具有截然不同的電子能帶結構和光學、電學性質，通過計算模擬等手段在眾多的二維材料中挑選出結構匹配、功能互補的兩者或多者進行結合是本項目首先需要面對的關鍵問題。

　　(2)如何生長出大尺寸的異質結材料:在選擇合適的異質結材料后，如何通過性能可靠的薄膜生長方法逐層的在特定襯底上生長大尺寸、高質量的異質結以滿足工業化探測器的應用需求，是本項目所要解決的第二個關鍵問題。

　　(3)異質結的耦合機制是什么:異質結中不同二維材料的界面處必然存在著一定的相互作用。理解異質結材料間的耦合相互作用機制對于提升異質結光探測器件的性能以及設計新原理光探測器件至關重要。

　　(4)如何通過工藝的優化和器件結構設計來提升其光探測性能:器件的結構設計在原理上決定了其光探測器性能。另外，由于制備器件是一個復雜的過程，它會經歷不同的環境，與不同的物質接觸，每一個環節都會影響器件的最終探測性能，所以器件工藝優化是其良好性能的保障。

　　參考文獻

　　[1]NovoselovKS，GeimAK，MorozovSV，etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms[J].Science，2004，306:666-669.

　　[2]BaiJ，NanH，QiH，etal.TheeffectofAunanoparticlesonthestrain-dependentelectricalpropertiesofCVDgrapheme[J].JournalofNanoparticleResearch，2018，20(3):69-74.

　　[3]WangWH，DuRX，GuoXT，etal.Interfacialamplificationforgraphenebasedposition-sensitive-detectors[J].Light:Science&Applications，2017，6:e17113.

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