北京大學(xué)展示超快高敏二維Bi2O2Se紅外探測器芯片材料的研究成果

在過去的一個世紀(jì)中，紅外光探測已經(jīng)成為人們觀測自然的一個重要手段，而基于紅外探測的應(yīng)用業(yè)已深入到人們生活的各個方面，比如安全監(jiān)控、動作檢測、紅外夜視等。在波長范圍為0.7微米~1毫米紅外光中，1~1.8微米波段的短波紅外光因其獨特應(yīng)用而格外引人關(guān)注。在歷史上，光電探測發(fā)展的主要推動力是新型光電材料的發(fā)現(xiàn)以及加工工藝的改進(jìn)。經(jīng)過一個世紀(jì)的努力，人們發(fā)現(xiàn)在紅外光譜中具有高量子效率和可調(diào)帶隙的不同塊體材料包括：III-V和II-VI化合物中的HgCdTe、InGaAs、InSb、GaAs / AlGaAs量子阱和InAs / GaSb超晶格。而這些材料的高質(zhì)量薄膜難以制備及后續(xù)微納加工，故將這些材料制備成高分辨率紅外成像設(shè)備將使其成本急劇上升。

所以，目前紅外探測芯片的一個重要發(fā)展趨勢是將紅外傳感材料與廉價成熟的硅基芯片讀出電路的結(jié)合，進(jìn)而實現(xiàn)更高的像素、更高的幀速率和更復(fù)雜的信號處理功能。而最近二維材料的興起為這種紅外探測器發(fā)展趨勢提供良好的契機(jī)。二維材料具有獨特的超薄平面結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的機(jī)械性能及柔性，這使得二維材便于加工成焦平面陣列并有可能與硅基芯片讀出電路兼容。靈敏度和響應(yīng)時間是紅外探測器的兩個核心指標(biāo)，而面向?qū)嶋H應(yīng)用要求溝道材料同時具有良好的空氣穩(wěn)定性。然而，目前已報道的基于二維材料的紅外探測器均不能同時滿足上述條件。例如，石墨烯顯示出高速光電響應(yīng)，但是其靈敏度較低，典型值小于幾十毫安每瓦。傳統(tǒng)的過渡金屬二硫化物（TMD）通常具有太大的帶隙，從而失去了檢測紅外光的能力。

黑磷有不錯的紅外探測能力，但其化學(xué)不穩(wěn)定性與大規(guī)模制造工藝不兼容。因此，人們?nèi)匀辉趯ふ铱捎糜诟哽`敏度和快速紅外檢測的二維層狀材料。在過去兩年多里，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授課題組和合作者首次發(fā)現(xiàn)一類同時具有超高電子遷移率、合適帶隙、環(huán)境穩(wěn)定和可批量制備特點的全新二維半導(dǎo)體芯片材料（硒氧化鉍，Bi2O2Se），在場效應(yīng)晶體管器件、量子輸運和可見光探測方面展現(xiàn)出優(yōu)異性能。最近，他們與合作者發(fā)現(xiàn)由Bi2O2Se制備成的原型光電探測器件具有很寬的光譜響應(yīng)（從可見光到1700 nm短波紅外區(qū)），并同時具有很高的靈敏度（在近紅外二區(qū)1200nm處靈敏度高達(dá)~65A/W）。 而利用飛秒激光器組建的超快光電流動態(tài)掃描顯示Bi2O2Se光電探測器具有約1皮秒的本征超快光電流響應(yīng)時間。

加之，該化合物由交替堆疊的Bi2O2和Se層組成，晶體中氧的存在，使其在空氣中具有極佳的穩(wěn)定性，完全可暴露于空氣中存放數(shù)月且保持穩(wěn)定。他們還展示了利用單一Bi2O2Se光電探測器，通過在成像平面上掃描，實現(xiàn)了室溫下高分辨率紅外成像。由于其二維材料屬性，這種光電探測器可制備在柔性基底上，并在1%應(yīng)力范圍內(nèi)保持正常工作。另外，他們展示出多個Bi2O2Se光電探測器陣列可協(xié)同成像，從而具備多像素掃描成像的潛力。由于Bi2O2Se具有與硅基讀出電路集成的潛力，并且制備工藝簡單，具有大規(guī)模生產(chǎn)的可能性，其為高靈敏度、高速度、低成本、可室溫工作的柔性紅外光電探測和成像開辟了新路徑。

超快高敏二維Bi2O2Se紅外探測器芯片材料示意圖及其近紅外成像展示該研究成果以“ultrafast and highly sensitive infrared photodetectors based on two-dimensional oxyselenide crystals”為題發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）（DOI： 10.1038/s41467-018-05874-2）上。彭海琳教授和北京大學(xué)物理學(xué)院劉開輝研究員為該工作的共同通訊作者。文章的并列作者為尹建波博士、談?wù)褴?、洪浩及吳金雄博士。該工作得到了來?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">科技部和國家自然科學(xué)基金委等項目的資助。