红外光探测器作为人们观测自然的“千里眼”，在红外夜视、安全侦查、和军事遥感等领域发挥着重要作用。作为远距探测芯片的核心器件，红外光探测器发展的关键在于新型红外光电材料的开发。传统III-V和II-VI族化合物（如：HgCdTe、GaAs/AlGaAs量子阱和InAs/GaSb超晶格等）的开发推动了商业红外探测技术的革新，然而，低温工作条件和复杂的制备工艺等制约其进一步发展。新型二维半导体材料的兴起为室温高灵敏红外探测器的开发提供了良好的契机。然而，二维半导体的原子级薄层特性制约了高量子效率二维红外探测器的开发与应用。得益于独特的超薄平面结构及层间范德华相互作用，二维半导体异质界面可以不受传统异质结界面必须晶格匹配的限制，便于制备高质量薄膜和加工成焦平面阵列，为新型多功能、高灵敏、室温红外光电探测器件的研制提供了新的机遇。
在过去五年多里，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)，并开发了二维Bi2O2Se高速低功耗电子器件、量子输运器件、超快高敏红外光探测等高性能电子和光电器件（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nature Commun. 2018, 9, 3311; Science Adv. 2018, 4, eaat8355; Nature Electron. 2020, 3, 473; Acc. Mater. Res. 2021, 2, 842; PNAS 2022, 119, e2122436119）。
近日，北京大学彭海琳课题组和中科院上海技物所胡伟达、苗金水团队合作，提出将动量匹配和能带匹配（能动量匹配）的范德华异质结应用于红外探测。基于化学气相沉积制备的高品质无应变二维半导体Bi2O2Se晶体，实现了具有动量匹配和能带对齐的二维半导体硒氧化铋/黑磷(Bi2O2Se/BP)范德华异质结高效光电探测器开发。研究表明，二维半导体Bi2O2Se/BP范德华异质结倒易空间（K空间）中动量匹配有效提高了光生载流子生成和跃迁，且II型能带对齐提高了光生载流子的传输和收集；二维半导体Bi2O2Se/BP形成的高品质范德华异质界面降低了光生载流子的复合速率。由此，二维Bi2O2Se/BP半导体异质结光电探测器实现了与传统材料红外探测器相比拟的量子效率，在1.3 μm和2 μm处实现了创纪录84%和76.5%的量子效率。此外，二维Bi2O2Se/BP光电探测器在2 μm短波红外波段偏振比高达17，适用于偏振光电探测器开发。范德华异质结构动量匹配和能带对齐的构筑策略有望为高敏红外光电探测器件开辟新途径，为高量子效率红外探测器的研制提供新方法。
该研究成果以“Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection”为题发表于2022年7月29日的《科学-进展》Science Advances 2022, 8, eabq1781。中科院上海技物所胡伟达研究员、苗金水研究员和北京大学彭海琳教授为该工作的共同通讯作者，并列第一作者为陈允枫博士、谭聪伟博士及王振博士。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。
二维半导体Bi2O2Se/BP范德华异质结红外光电探测器与量子效率及偏振特性
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