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操控不同的原子一個(gè)個(gè)堆疊起來，得到想要的材料，這一直以來可能都是化學(xué)家的終極夢想之一。2004年，單原子厚度石墨烯的發(fā)現(xiàn)為這樣的夢想帶來了希望。隨著石墨烯等無懸掛鍵二維原子晶體的不斷發(fā)展，不同二維原子層可以借助弱范德華力按照特定順序堆疊在一起，構(gòu)建具有原子級(jí)平整界面的各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)被稱為范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

范德華異質(zhì)結(jié)通過相對(duì)較弱的范德華相互作用力物理組裝在一起，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)相比，范德華異質(zhì)結(jié)不依賴于化學(xué)鍵，也不受限于材料的晶格匹配度。原則上來說，如果對(duì)晶格相似性和加工兼容性沒有特殊要求，這種范德華異集成策略適用于任何材料，尤其是適用于具有不同晶體結(jié)構(gòu)、不同電子特性、不同尺寸和維度的材料的柔性集成。

對(duì)現(xiàn)代電子學(xué)和光電子學(xué)而言，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)和超晶格為發(fā)展新型電子、光電器件提供了廣闊的的研究平臺(tái)。將具有完全不同的材料集成到一起構(gòu)建全新的界面，是設(shè)計(jì)功能器件至關(guān)重要的一步，也是材料科學(xué)家長期以來的不懈追求。

窄禁帶二維半導(dǎo)體具有層間范德華力任意堆疊成異質(zhì)結(jié)構(gòu)、無表面懸掛鍵、暗電流極易被外場操控等優(yōu)點(diǎn)，為研制室溫、高靈敏紅外探測器提供了新機(jī)遇。然而，二維半導(dǎo)體原子級(jí)薄層特性限制了其高量子效率紅外探測器的應(yīng)用。

近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)、苗金水團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)彭海琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)合作，提出將動(dòng)量匹配和能帶匹配(能動(dòng)量匹配)的范德華異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于紅外探測。本研究創(chuàng)新性地將新型能動(dòng)量匹配范德華異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于紅外探測器技術(shù)。

研究顯示，二維半導(dǎo)體Black phosphorus(BP)的價(jià)帶頂和Bi2O2Se的導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)的Γ點(diǎn)，光生載流子在界面處能直接躍遷到BP和Bi2O2Se的導(dǎo)帶，提高了光生載流子的躍遷幾率和產(chǎn)生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ類能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高了光生載流子的收集效率。本研究制備的能動(dòng)量匹配BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)材料紅外探測器相比擬的量子效率，在1.3 μm時(shí)量子效率達(dá)到84%，在2 μm時(shí)量子效率達(dá)到76.5%。此外，該BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器實(shí)現(xiàn)了較高的偏振特性，在短波紅外波段偏振比達(dá)到17。

結(jié)果表明該器件設(shè)計(jì)可顯著提高二維材料紅外探測器量子效率，為研制高量子效率紅外探測器提供了新方法。相關(guān)研究成果以Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection為題，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。

(資料來源：上海技術(shù)物理研究所)

關(guān)鍵詞： 紅外探測器 量子效率 異質(zhì)結(jié)構(gòu)