中科院長春光機所應用光學國家重點實驗室李紹娟研究員課題組近期以“Research development of 2D materials based photodetectors towardsmid-infrared regime”為題綜述了基于二維材料的中紅外光探測器的發展，文章發表在Wiley旗下Nano select期刊，安君儒同學為文章的第一作者。文章介紹了基于二維材料的中紅外光探測器的應用潛力，總結了這一領域的發展現狀和挑戰，歸納對比了目前提升器件性能的不同方法，并對器件性能的進一步優化提出了建議。

紅外光探測器是多種光電應用的核心，在光譜學、遙感、成像和光通信等領域具有重要的應用。其中，中紅外光譜范圍包含了多個大氣窗口（如3~5 μm和8~14 μm），與追蹤、熱成像、環境監測以及大多數生物分子和化學物質的主要吸收波段和指紋識別有關，是在應用技術上非常重要的波段。與可見光和近紅外波段的光探測器相比，當前用于中紅外波段的商業化光探測器通常受到需要低溫制冷、成本高昂，或者制造復雜，與硅基半導體工藝不兼容的困擾。

近年來，以石墨烯為代表的二維材料由于具有優異的光電性能（如可調的能帶帶隙，強光吸收性能，高載流子遷移率，良好的柔韌性和易加工性等）顯示出了實現高性能中紅外光探測器的潛力。二維材料可以通過機械剝離或直接在襯底上生長的方法制備，工藝相對簡單，并且二維材料超薄、超小的天然屬性，易與其他半導體材料集成，這些特點有助于探測器件的進一步小型化。

文章在第一部分首先討論了二維材料在中紅外光探測中的潛在優勢，二維材料與傳統半導體材料的工藝兼容性和功能多樣化有希望克服傳統中紅外光探測器進一步小型化所面臨的困難，使得二維材料有希望成為紅外電子-光子集成中的重要潛在材料。

圖1 幾種代表性的二維材料光探測器與傳統紅外探測器的性能參數對比。(a)光探測器的探測率、工作溫度和工作波長的依賴關系。(b)光探測器的響應度和響應速度的依賴關系。

第二部分介紹了近些年來基于二維材料的中紅外光探測器的研究進展，重點關注了石墨烯、黑磷、砷摻雜黑磷、第十族過渡金屬硫族化合物、拓撲半金屬、二維碲烯等窄帶隙二維材料，以及不同二維材料組成的范德華異質結構中的新型物理效應在中紅外波段光探測中的應用。第三部分，作者總結了這個快速增長的領域所面臨的挑戰。文中指出，目前在獲得兼具高響應速度、高增益和高探測率的二維材料中紅外光探測器方面仍然面臨很大挑戰。第四部分，作者對目前提高二維材料光探測器性能的方法進行了總結分析。在二維材料光探測研究的早期，石墨烯的研究發展驅動了許多新型二維材料的發掘，伴隨著出現了不同類型的光探測器件。然而早期對光探測器件的研究大多體現在器件單一性能指標的提升方面，在響應度和增益方面獲得了大幅度的提升。而伴隨著中遠紅外光探測的發展，對探測器噪聲的抑制以及探測率的提升變得尤為重要。而目前主流提升探測器件性能的解決途徑包括：1）提高系統對弱光信號的探測能力，提高響應度，比較有效的途徑是提高光探測系統的光吸收度。2）降低暗電流和抑制系統噪聲，從而提高探測率，比較有效的途徑是引入p-n結或者肖特基結。這些方法各有優缺，作者在文中也進行了討論。

圖2 二維材料光探測器近年來的研究發展

盡管基于二維材料的中紅外光探測器的研究仍有一些關鍵問題需要解決，但二維材料的原子層性質和寬帶光響應有望成為中遠紅外光電探測的重要潛在材料。為了獲得具有快速響應、高增益和高響應度的二維材料中紅外光探測器，可以通過增加中紅外波段的光吸收或者改變能帶結構來優化器件的光響應性能，以便快速有效地提取電信號。對于前者，可以使用光學諧振腔等設計來增強光吸收。對于后者，可以探索能帶匹配和異質結結構中的新穎物理特性（例如彈道雪崩現象和層間激子）來提高器件在中紅外波長下的性能。如何實現兼具高靈敏度、高速度、可室溫工作的中紅外光探測器是目前一個重要的研究領域和科研熱點，作者希望這篇文章中對當前研究的總結與分析可以為高靈敏度、高速、緊湊的中紅外光探測器的開發提供更多的思路。

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