繼Nat. Nanotech.后北京大學彭海琳&劉開輝再度合作Nature子刊:新型的超快高敏二維紅外探測器

【引言】

近年來，二維材料以其獨特的電子結構、極端的維度限域以及光-物質的強作用等特點為下一代紅外探測提供了新型的材料平臺。理想的紅外探測器不僅需要同時具備快速響應和高度靈敏的能力，面向實際應用時還要求溝道材料具有良好的空氣穩定性。然而，現有的二維材料如石墨烯雖然顯示出高速光電響應能力，但是靈敏度較低；而黑磷雖然具備紅外探測能力，但其穩定性比較差。因此，尋找更加契合紅外探測應用的二維層狀材料依然是一項不小的挑戰。

【成果簡介】

北京大學的彭海琳教授以及劉開輝研究員（共同通訊作者）等人合作開發了一種基于硒氧化鉍（Bi₂O₂Se）晶體的新型原型近紅外探測器。硒氧化鉍是彭海琳課題組與合作者近年來新發現的一類同時具有高電子遷移率、合適帶隙、環境穩定和可批量化制備等特點的二維半導體材料（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett. 2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060）。該晶體化合物由氧化鉍（Bi₂O₂）和硒層交替堆疊而成，加之晶格中氧的存在，使其在空氣中可以相當穩定的存在。在這一晶體材料的基礎上開發的原型光電探測器具有從可見光到1700nm短波紅外區的超寬光譜響應，與此同時，器件在近紅外二區的靈敏度可高達65A/W左右，展現出了優異的靈敏性。此外，利用飛秒激光器組建的超快光電流動態掃描則顯示了該種探測器具有約1皮秒的超快光電流響應時間，進一步證明了硒氧化鉍二維晶體在紅外探測應用的前景。2018年8月17日，相關成果以題為“Ultrafast and highly sensitive infrared photodetectors based on two-dimensional oxyselenide crystals”在線發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1 基于二維硒氧化鉍的光電探測器

(a)二維硒氧化鉍晶體結構示意圖（氧化鉍和硒層交替堆疊）

(b)通過角分辨光電子能譜（ARPES）可觀測到具有超小電子有效質量（~0.14m₀）和帶隙（~0.8eV）的硒氧化鉍電子能帶結構

(c)二維硒氧化鉍器件的光學圖像

(d)二維硒氧化鉍器件中的掃描光電壓圖像（c圖虛框區域）

(e)d圖虛線區域的光電壓線掃圖像

(f)不同入射光子能量下的光電壓線掃光譜圖

(g)硒氧化鉍的光吸收強度和光電壓與入射光子能量的關系

圖2二維硒氧化鉍的光響應性能

(a)在1200nm和1500nm波長處的光響應性能

(b)在1200nm波長處光響應性能與輸入功率以及偏壓的相關性

(c)基于不同二維材料（硒氧化鉍、石墨烯、黑磷和過渡金屬硫化物）的光電探測器的本征響應性能比較

圖3 二維硒氧化鉍光電探測器的時間分辨光電流能譜

(a)超快脈沖間的光電流與延遲時間的函數關系

(b)不同泵浦功率下的硒氧化鉍光電探測器的本征響應時間

圖4 二維柔性硒氧化鉍光電探測器陣列

(a)柔性基底上二維硒氧化鉍光電探測器及其陣列

(b)二維硒氧化鉍光電探測器可在空氣中維持至少5周的穩定光響應性能

(c)單像素成像過程示意圖

(d)二維硒氧化鉍單像素光電探測器拍攝的室溫紅外圖像

(e)二維硒氧化鉍光電探測器多像素陣列的光學圖像

(f)陣列的各像素點在不同工作波長（可見光-短波紅外）下協同成像及光電流繪制

【小結】

通過在成像平面上掃描，該項研究展示了利用二維硒氧化鉍光電探測器可實現室溫下高分辨率紅外成像。硒氧化鉍光電探測器陣列還具備協同成像能力，從而為多像素掃描成像奠定基礎。這一成像能力結合高靈敏度、超快光響應時間以及優異的化學穩定性，使得二維硒氧化鉍具備成為新型紅外探測器材料平臺的應用前景。

文獻鏈接：Ultrafast and highly sensitive infrared photodetectors based on two-dimensional oxyselenide crystals（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05874-2）

北京大學彭海琳教授和劉開輝研究員為該工作的共同通訊作者，該工作的合作者還包括牛津大學陳宇林教授和南京大學袁洪濤教授（如圖）以及北京大學劉忠范教授。尹建波博士、談振軍、洪浩及吳金雄博士為文章并列第一作者。該工作得到了來自科技部和國家自然科學基金委等項目的資助。

彭海琳教授、劉開輝研究員、陳宇林教授、袁洪濤教授的合影

課題組介紹：

彭海琳，北京大學博雅特聘教授、博士生導師、國家杰出青年基金獲得者。主要從事高遷移率二維材料(石墨烯、拓撲絕緣體、金屬硫氧族材料)的制備科學及器件應用研究。建立了拓撲絕緣體二維結構的可控生長方法，實現了首例拓撲絕緣體二維陣列的制備，首次觀測到拓撲絕緣體的AB量子干涉效應，并開創了拓撲絕緣體在柔性透明電極的應用；設計并制備了一類全新的超高遷移率二維硒氧族半導體芯片材料；建立了精確調控石墨烯結構的范德華外延、限域“分子流”、持續氧輔助等一系列生長方法，創造了石墨烯單晶生長速度的世界紀錄，實現了4英寸無褶皺石墨烯單晶晶圓、大面積石墨烯薄膜的連續批量制備和綠色無損轉移，實現了旋轉雙層石墨烯光電器件研制、單晶石墨烯PN結的調制摻雜和“光熱電”機制的高效能量轉換。已發表論文150余篇（Science和Nature子刊17篇，JACS/Nano Lett./Adv. Mater./PRL?50余篇），被他引逾10000次，申請/授權專利40余項。2011年入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”，2012年獲批國家首批優秀青年基金，2012年入選中組部“萬人計劃”首批青年拔尖人才，2014年任國家973計劃青年科學家項目首席科學家，2015年獲國家杰出青年科學基金，并榮獲2017年國家自然科學二等獎、第二十屆茅以升北京青年科技獎、2017年Small青年科學家創新獎、2017年MRS Singapore ICON-2DMAT Young Scientist Award等獎勵。在國際及雙邊重要學術會議上做邀請報告40余次。（課題組網頁:?http://www.chem.pku.edu.cn/hp）

劉開輝，北京大學博雅青年學者，物理學院研究員、課題組長、博士生導師、中組部“青年千人”、基金委“優青”、國家重點研發計劃課題負責人。主要從事輕元素二維單晶材料原子制造和百飛秒原子級高精度表征研究，在米級單晶石墨烯超快外延制備、單個碳納米高通量偏振光學顯微技術、原位球差電鏡和納米光譜學結合技術開發、低維材料層間耦合物理研究方向取得了多項創新性成果。發表科研論文80余篇（54篇IF>7），第一/通訊作者40余篇包括Nature Nanotechnology (3篇)、Nature Physics、Nature Communications (5篇)、Advanced Materials (5篇)、PNAS、JACS (2篇)、Nano Letters (4篇)、Chem Rev Soc；申請專利22項，授權8項。目前擔任全國材料新技術發展研究會理事，Science Bulletin 副主編，IOP Nano Futures和Nanotechnology雜志編委。曾獲北京市科學技術一等獎（2009）和三等獎（2017）、中國十大科技新銳人物（2016）、北京市優秀人才青年拔尖個人（2017）、北京大學“黃廷芳/信和青年杰出學者獎”（2017）、北京大學“本科生科研優秀指導教師”（2017）等獎項。在國際及雙邊重要學術會議上做邀請報告20余次。（課題組主頁：http://www.phy.pku.edu.cn/~khliu/chs_home.html）

本文由材料人學術組NanoCJ供稿，材料牛編輯整理。

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