固体所在二维材料光电探测器研究方面取得新进展

发表时间:2022-05-07 08:45

近期,中科院合肥研究院固体所纳米材料与器件技术研究部李广海研究员课题组的李亮研究员与香港理工大学应用物理系严锋教授合作,在二维材料光电探测领域取得新进展,成功研制了基于层状三元碲化物InSiTe3的光电探测器。该光电探测器具有超快的光响应(545 ~ 576 ns)以及从紫外到近红外(UV-NIR)光通信区域的宽带探测能力(365 ~ 1310 nm)。


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具有宽带探测能力的光电探测器在我们日常生活的许多领域中发挥着至关重要的作用,并已广泛应用于成像、光纤通信、夜视等领域。迄今为止,基于传统材料的光电探测器如:GaN (<400 nm)、Si (400 ~ 1100 nm) 和 InGaAs (800 ~ 1600 nm) 占据着从紫外到近红外区域的光电探测器市场。然而,复杂的生长过程和高昂的制造成本阻碍了这些光电探测器的进一步发展。为了应对这些挑战,人们一直在努力开发具有可调带隙、强光-物质相互作用且易于集成的二维材料光电探测器。


如今,许多二维材料如石墨烯、黑磷和碲等已经表现出优异的宽带光探测能力。尽管如此,目前基于二维材料的高性能宽带光电探测器数量仍然有限。特别是许多基于二维材料的光电探测器虽然表现出较高的光响应度和探测率,但响应速度较慢,这可能归因于其较长的载流子寿命。这种较低的响应速度限制了二维光电探测器在实际应用中尤其是在光通信领域中。最近,石墨烯、黑磷和部分过渡金属二硫属化物(TMDs)范德华异质结器件已经展现出二维材料在高速宽带光电探测领域的潜力。然而,石墨烯是一种零带隙材料,黑磷在环境条件下并不稳定,TMDs异质结的制造工艺相对复杂,这些问题同样限制了这些材料在光电探测领域的应用。


鉴于此,研究人员开发了一种基于层状三元碲化物InSiTe3的光电探测器,合成出高质量的InSiTe3晶体,并通过拉曼光谱分析了其拉曼振动模式。InSiTe3的间接带隙可以从1.30 eV(单层)调节到0.78 eV(体块)。此外,基于InSiTe3的光电探测器表现出从紫外到近红外光通信区域(365 ~ 1310 nm)的超快光响应(545 ~ 576 ns),最高探测率达到7.59×109 Jones。这些出色的性能价值凸显了基于层状InSiTe3的光电探测器在高速宽带光电探测中的潜力。


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图1 基于层状InSiTe3光电探测器的(a)光谱响应与 (b)已经报道的部分二维材料光电探测器的性能对比图。


论文第一作者为纳米材料与器件技术研究部博士生陈家旺。该工作得到了国家自然科学基金、安徽省领军人才团队项目、安徽省自然科学基金、安徽省先进激光技术实验室开放基金和香港理工大学基金的支持。

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