基于零维材料的光电探测器原子结构

具有被动工作、不受天气干扰等优势，红外光电探测器已成为众多军用设备的“眼睛”，并在工业、医学、气象等领域占据了越来越重要的位置。从地球资源勘测、天气预报到体温检测及新冠筛查，红外技术被更加广泛地应用于人类生活的方方面面。

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。

据麦姆斯咨询报道，华北光电技术研究所牛佳佳等人在《红外与激光工程》期刊上发表了以“基于低维材料的光电探测器的发展”为主题的综述文章。牛佳佳主要从事红外材料研究与测试工作。

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。

基于零维材料的光电探测器：量子点探测器的主体结构为三明治结构，发射极和收集极均为重掺杂层，势垒层之间堆叠二维量子点阵列。量子点探测器主要分为PIN结构量子点探测器、CMOS结构量子点探测器、雪崩二极管量子点探测器和胶体量子点红外光电探测器等。新兴的胶体量子点探测器研究主要针对光电二极管、光电导体和场效应光电晶体管。主要应用的材料包括硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）和二硫化钼（MoS2）等。制备方法主要包括水热法、气相合成法、溶胶－凝胶法、微乳液法、热注入法和连续离子层吸附法。上述方法各有利弊，反应温度、反应压力、靶材选择、合成的难易程度等都会影响材料及器件的性能。

（a）量子点探测器的原理图；（b）基于光电导体的胶体量子点探测器的原理图；（c）基于光电二极管的胶体量子点探测器的原理图；（d）基于场效应光电晶体管的胶体量子点探测器的原理图

基于二维材料的光电探测器：目前的二维材料探测器大多采用以下三种工作机理：光导效应、光栅压效应和光伏效应。与经典的半导体材料相比，二维材料易于调控，主要表现在四个方面：（1）能够实现应力调控。（2）带隙可调。（3）栅压可调。（4）掺杂可调控。

三种光电转换机理对应的能带图和典型光电特性

石墨烯是最早大范围应用于探测器的二维材料之一。由于电子在二维平面内不受纵向力的限制，可以自由移动，因此石墨烯具有良好的导电性。石墨烯是一种优良的探测器核心材料。与传统的半导体材料（如GaAs等）相比，单层石墨烯对光的显著吸收率使其饱和强度更低、光载流子密度更高。

（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。