二维材料光子型光电探测器研究进展
发布时间：2021-11-19 12:13
二维材料因其独特的物理结构和优异的光电特性,吸引了众多学者的研究兴趣,并在新型光电探测领域显示出了巨大的应用前景.目前研究的二维材料光电探测器多为光子型光电探测器,其光电探测过程涉及光到电的直接转换.如何充分利用光电转换机理,在器件性能和功能方面发挥二维材料的优势,是其在光电探测领域走向实际应用的关键.结合本课题组近年来的研究工作,以光子型光电探测器的基本光电转换机理为主线,将近年来二维材料光子型光电探测器在参数性能的提升、光电转换机理的拓展和器件功能的设计等方面进行了总结,并最后对二维材料光电探测器面临的挑战和可能的发展方向进行了展望.
【文章来源】：北京工业大学学报. 2020,46(10)北大核心CSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
电场调控二维材料同质结的器件结构与光电特性
1.2 光栅压效应光栅压效应(photogating effect)是光导效应的一种特殊情况,详述如下. 当光照引起光导效应后,产生了光生电子空穴对. 然而,由于半导体材料中存在一些缺陷或者能带工程中存在势阱,其中一种载流子(如空穴)被束缚在材料缺陷态或者势阱中,电子与空穴难以复合,从而导致载流子寿命延长,光电流增大的现象. 其能带机理解释如图1(b)所示. 基于光栅压效应的二维材料光电探测器件结构与光导型器件结构相似,不同的是,光栅压型光电探测器的光敏二维材料存在如空位、杂质替位或分子吸附等原因导致的缺陷,如图1(e)所示. 利用光栅压效应制备的光电探测器转移特性曲线如图1(h)所示,可以看出,该光电流变化可以等效成器件光敏材料上施加的额外栅压,而光导效应则没有此变化. 二维材料具有原子层量级的厚度,材料缺陷和能带工程对二维材料的影响更加明显,因此光栅压效应广泛存在于二维材料光电探测器中. 光栅压效应对二维材料光电探测器的性能影响具有两面性. 一方面,由于其中一种载流子被捕获,自由的载流子在器件中甚至可以多次渡越,使得光电流大幅增加,从而极大提高光电探测器的响应度和电流增益;另一方面,由于捕获的载流子释放过程时间较长,会大幅增加光电探测器的响应时间,通常响应时间可达到秒级甚至几十秒量级,使得由光栅压效应主导的光电探测器具有较差的响应速度和较窄的工作带宽.
从引言可知,石墨烯极短的激子寿命使其在光电探测方向的应用大大受限. 然而,结合二维材料显著的光栅压效应,若能增加石墨烯中的缺陷态,则可以延长石墨烯的激子寿命,从而提高石墨烯光电探测器的响应度. 因此,本课题组Zhang等[21]通过石墨烯缺陷工程,形成量子点化石墨烯,打开了石墨烯的带隙,增加了缺陷能级,从而调控了石墨烯激子寿命. 在低温的测试条件下,获得了8.61A/W的超高响应度,同时,仍保持了从可见光到中红外波段(10 μm)的宽光谱探测能力. 器件结构、光电探测机理解释和光电流的时间响应如图2所示. 从图2(b)的能带解释可以看出,通过石墨烯的量子点化处理,石墨烯能带打开,并在禁带内产生缺陷能级(图中禁带内的条状能带为缺陷能级),当光照到量子点化石墨烯表面时,产生光生激子,其中的电子被缺陷能级捕获,而空穴通过跳跃的方式形成光电流,从而实现了激子寿命的延长,大幅提高了响应度.提高石墨烯光电探测器性能的另一种方式是将石墨烯与其他材料结合,如量子点等,通过能带工程的方式实现光栅压效应,提高光电探测器的响应度[2, 22-25]. 其器件结构与工作原理如图3(a)(b)所示[22]. 将PbS量子点结合配体均匀涂覆在石墨烯上,从而形成石墨烯/PbS量子点杂化的光电探测器. 当光照时,PbS量子点产生光生电子空穴对,其中电子被缺陷态捕获,空穴注入到石墨烯中,形成了光电流. 因该过程为光栅压效应,结合PbS量子点的优异光吸收,从而获得了超高的响应度(107 A/W). 利用该器件原型,可以继续制备出基于石墨烯/PbS量子点杂化的成像传感器阵列,并结合集成化的读出电路,实现了可见光至短波红外的成像,为石墨烯基光电探测器的发展带来了希望. 此外,该探测器在柔性可穿戴的健康监测方面仍有较好的应用前景[24]. 然而,石墨烯的导电性过高,导致石墨烯/PbS量子点杂化的光电探测器具有较大的暗电流,这会大大降低光电探测器的灵敏度(噪声等效功率较高和探测率较低),因此,有研究学者利用其他二维材料来替代石墨烯,从而在响应度和探测率2个参数之间达到平衡[26-29].
本文编号：3505016
【文章来源】：北京工业大学学报. 2020,46(10)北大核心CSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
电场调控二维材料同质结的器件结构与光电特性
1.2 光栅压效应光栅压效应(photogating effect)是光导效应的一种特殊情况,详述如下. 当光照引起光导效应后,产生了光生电子空穴对. 然而,由于半导体材料中存在一些缺陷或者能带工程中存在势阱,其中一种载流子(如空穴)被束缚在材料缺陷态或者势阱中,电子与空穴难以复合,从而导致载流子寿命延长,光电流增大的现象. 其能带机理解释如图1(b)所示. 基于光栅压效应的二维材料光电探测器件结构与光导型器件结构相似,不同的是,光栅压型光电探测器的光敏二维材料存在如空位、杂质替位或分子吸附等原因导致的缺陷,如图1(e)所示. 利用光栅压效应制备的光电探测器转移特性曲线如图1(h)所示,可以看出,该光电流变化可以等效成器件光敏材料上施加的额外栅压,而光导效应则没有此变化. 二维材料具有原子层量级的厚度,材料缺陷和能带工程对二维材料的影响更加明显,因此光栅压效应广泛存在于二维材料光电探测器中. 光栅压效应对二维材料光电探测器的性能影响具有两面性. 一方面,由于其中一种载流子被捕获,自由的载流子在器件中甚至可以多次渡越,使得光电流大幅增加,从而极大提高光电探测器的响应度和电流增益;另一方面,由于捕获的载流子释放过程时间较长,会大幅增加光电探测器的响应时间,通常响应时间可达到秒级甚至几十秒量级,使得由光栅压效应主导的光电探测器具有较差的响应速度和较窄的工作带宽.
从引言可知,石墨烯极短的激子寿命使其在光电探测方向的应用大大受限. 然而,结合二维材料显著的光栅压效应,若能增加石墨烯中的缺陷态,则可以延长石墨烯的激子寿命,从而提高石墨烯光电探测器的响应度. 因此,本课题组Zhang等[21]通过石墨烯缺陷工程,形成量子点化石墨烯,打开了石墨烯的带隙,增加了缺陷能级,从而调控了石墨烯激子寿命. 在低温的测试条件下,获得了8.61A/W的超高响应度,同时,仍保持了从可见光到中红外波段(10 μm)的宽光谱探测能力. 器件结构、光电探测机理解释和光电流的时间响应如图2所示. 从图2(b)的能带解释可以看出,通过石墨烯的量子点化处理,石墨烯能带打开,并在禁带内产生缺陷能级(图中禁带内的条状能带为缺陷能级),当光照到量子点化石墨烯表面时,产生光生激子,其中的电子被缺陷能级捕获,而空穴通过跳跃的方式形成光电流,从而实现了激子寿命的延长,大幅提高了响应度.提高石墨烯光电探测器性能的另一种方式是将石墨烯与其他材料结合,如量子点等,通过能带工程的方式实现光栅压效应,提高光电探测器的响应度[2, 22-25]. 其器件结构与工作原理如图3(a)(b)所示[22]. 将PbS量子点结合配体均匀涂覆在石墨烯上,从而形成石墨烯/PbS量子点杂化的光电探测器. 当光照时,PbS量子点产生光生电子空穴对,其中电子被缺陷态捕获,空穴注入到石墨烯中,形成了光电流. 因该过程为光栅压效应,结合PbS量子点的优异光吸收,从而获得了超高的响应度(107 A/W). 利用该器件原型,可以继续制备出基于石墨烯/PbS量子点杂化的成像传感器阵列,并结合集成化的读出电路,实现了可见光至短波红外的成像,为石墨烯基光电探测器的发展带来了希望. 此外,该探测器在柔性可穿戴的健康监测方面仍有较好的应用前景[24]. 然而,石墨烯的导电性过高,导致石墨烯/PbS量子点杂化的光电探测器具有较大的暗电流,这会大大降低光电探测器的灵敏度(噪声等效功率较高和探测率较低),因此,有研究学者利用其他二维材料来替代石墨烯,从而在响应度和探测率2个参数之间达到平衡[26-29].
本文编号：3505016
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