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彭海琳课题组在二维Bi2O2Se超快高敏红外芯片材料方面取得重要进展

在过去的一个世纪中,红外光探测已经成为人们观测自然的一个重要手段,而基于红外探测的应用业已深入到人们生活的各个方面,比如安全监控、动作检测、红外夜视等。在波长范围为0.7 微米~1毫米红外光中,1~1.8微米波段的短波红外光因其独特应用而格外引人关注。在历史上,光电探测发展的主要推动力是新型光电材料的发现以及加工工艺的改进。经过一个世纪的努力,人们发现在红外光谱中具有高量子效率和可调带隙的不同块体材料包括:III-VII-VI化合物中的HgCdTeInGaAsInSbGaAs / AlGaAs量子阱和InAs / GaSb超晶格。而这些材料的高质量薄膜难以制备及后续微纳加工,故将这些材料制备成高分辨率红外成像设备将使其成本急剧上升。所以,目前红外探测芯片的一个重要发展趋势是将红外传感材料与廉价成熟的硅基芯片读出电路的结合,进而实现更高的像素、更高的帧速率和更复杂的信号处理功能。而最近二维材料的兴起为这种红外探测器发展趋势提供良好的契机。二维材料具有独特的超薄平面结构和优异的机械性能及柔性,这使得二维材便于加工成焦平面阵列并有可能与硅基芯片读出电路兼容。

灵敏度和响应时间是红外探测器的两个核心指标,而面向实际应用要求沟道材料同时具有良好的空气稳定性。然而,目前已报道的基于二维材料的红外探测器均不能同时满足上述条件。例如,石墨烯显示出高速光电响应,但是其灵敏度较低,典型值小于几十毫安每瓦。传统的过渡金属二硫化物(TMD)通常具有太大的带隙,从而失去了检测红外光的能力。黑磷有不错的红外探测能力,但其化学不稳定性与大规模制造工艺不兼容。因此,人们仍然在寻找可用于高灵敏度和快速红外检测的二维层状材料。

在过去两年多里,北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授课题组和合作者首次发现一类同时具有超高电子迁移率、合适带隙、环境稳定和可批量制备特点的全新二维半导体芯片材料(硒氧化铋,Bi2O2Se),在场效应晶体管器件、量子输运和可见光探测方面展现出优异性能(Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett. 2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060)。

最近,他们与合作者发现由Bi2O2Se制备成的原型光电探测器件具有很宽的光谱响应(从可见光到1700 nm短波红外区),并同时具有很高的灵敏度(在近红外二区1200 nm处灵敏度高达~65 A/W)。 而利用飞秒激光器组建的超快光电流动态扫描显示Bi2O2Se光电探测器具有约1皮秒(10-12 秒)的本征超快光电流响应时间。加之,该化合物由交替堆叠的Bi2O2Se层组成,晶体中氧的存在,使其在空气中具有极佳的稳定性,完全可暴露于空气中存放数月且保持稳定。

他们还展示了利用单一Bi2O2Se光电探测器,通过在成像平面上扫描,实现了室温下高分辨率红外成像。由于其二维材料属性,这种光电探测器可制备在柔性基底上,并在1%应力范围内保持正常工作。另外,他们展示出多个Bi2O2Se光电探测器阵列可协同成像,从而具备多像素扫描成像的潜力。由于Bi2O2Se具有与硅基读出电路集成的潜力,并且制备工艺简单,具有大规模生产的可能性,其为高灵敏度、高速度、低成本、可室温工作的柔性红外光电探测和成像开辟了新路径。

该研究成果以“ultrafast and highly sensitive infrared photodetectors based on two-dimensional oxyselenide crystals”为题发表于2018817日的《自然-通讯》Nature CommunicationsDOI: 10.1038/s41467-018-05874-2)上。彭海琳教授和北京大学物理学院刘开辉研究员为该工作的共同通讯作者。文章的并列作者为尹建波博士谈振军、洪浩及吴金雄博士。 该工作得到了来自科技部和国家自然科学基金委等项目的资助。



超快高敏二维Bi2O2Se红外探测器芯片材料示意图及其近红外成像展示

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