二維材料光電探測(cè)器及光場(chǎng)增強(qiáng)的研究進(jìn)展

李景峰,黃來(lái)玉,劉世光,寧 提,祁嬌嬌,王成剛

(1.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015;2.遼寧省軍區(qū)數(shù)據(jù)信息室,遼寧 沈陽(yáng) 110032)

1 引 言

目前主流的光電探測(cè)器為硅基光電探測(cè)器,但由于硅的帶隙僅為1.1 eV,導(dǎo)致硅材料無(wú)法吸收更長(zhǎng)波段的電磁波。因此硅基的光電探測(cè)器僅可在可見(jiàn)光、近紅外波段使用(響應(yīng)波長(zhǎng)低于1100 nm),無(wú)法應(yīng)用于中遠(yuǎn)紅外、太赫茲波段?，F(xiàn)有中遠(yuǎn)紅外探測(cè)器主要是采用碲鎘汞(HgCdTe)(工作波段7.5～11 μm)、銻化鎵/砷化銦(GaSb/InAs)量子阱第二類超晶格(工作波段在2～30 μm)、硫化鉛(PbS)(主要工作波段在1～3 μm)等材料作為探測(cè)器中的感光材料。這些中遠(yuǎn)紅外探測(cè)器的發(fā)展已經(jīng)比較成熟,進(jìn)入了商用階段。但在中遠(yuǎn)紅外探測(cè)器中,也存在一定的問(wèn)題。譬如大部分中遠(yuǎn)紅外探測(cè)器都需要低溫制冷使用。以碲鎘汞(HgCdTe)紅外光電探測(cè)器為例:其工作溫度低于77 K,使其工作條件變得苛刻,其工作需要配合制冷機(jī)杜瓦使用,使得碲鎘汞光電探測(cè)器難以小型化。并且由于硅材料等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)為塊體結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料很難做成原子級(jí)厚度,無(wú)法滿足延展性,柔韌性等可穿戴設(shè)備的要求,使得傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料無(wú)法集成到這些設(shè)備之中。此外由于汞、鉛、鉻、等元素都為重金屬,制備含有這些元素的光電探測(cè)器過(guò)程中,難免會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定程度上的污染,對(duì)制備探測(cè)器的工作人員的身體也會(huì)產(chǎn)生一定程度的傷害。所以在光電探測(cè)器領(lǐng)域,需要新型材料對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行一定程度地替換來(lái)有效地解決這些問(wèn)題。

二維材料的發(fā)現(xiàn)為替代傳統(tǒng)光電探測(cè)器中的感光材料帶來(lái)了新希望。二維材料,顧名思義為平面內(nèi)延展的薄層材料。其突出特點(diǎn)是材料為層狀結(jié)構(gòu),層與層之間靠范得瓦爾斯力相互作用?？梢酝ㄟ^(guò)機(jī)械剝離、液相剝離等方式得到原子級(jí)單層薄膜且材料表面沒(méi)有懸掛鍵。二維材料中最具有代表性的是石墨烯。2004年,英國(guó)曼切斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov通過(guò)剝離石墨的方式得到了單層的石墨烯。推翻了學(xué)術(shù)界中一些人認(rèn)為二維單層材料無(wú)法存在的預(yù)測(cè)[1-3]。石墨烯材料具有許多傳統(tǒng)材料不具備的優(yōu)秀特點(diǎn):它是目前自然界里已發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在材料中最薄的材料,單層石墨烯厚度僅有0.34 nm。在懸空及退火除去表面雜質(zhì)的石墨烯器件中,溝道石墨烯的載流子遷移率可得到其高達(dá)2×105cm2·V-1·s-1[4]。此外石墨烯作為一種半金屬材料具有良好的導(dǎo)電性。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)極大鼓舞了廣大科研工作者,使得二維材料被更加廣泛地研究。一些新型二維材料如同雨后春筍般相繼被發(fā)現(xiàn)。首先是成功制備具有帶隙的過(guò)渡族金屬硫族化合物(TMDs)。隨后又成功制備有具有各向異性的黑磷,以及氮化硼、硅烯、鍺烯等二維材料。利用這些新型二維材料制備光電探測(cè)器,可以對(duì)不同波段的光進(jìn)行探測(cè),滿足不同領(lǐng)域的探測(cè)需求。二維材料光電探測(cè)器,可探測(cè)范圍從紫外光到紅外光波段,囊括了主流探測(cè)器的探測(cè)范圍,為現(xiàn)有半導(dǎo)體光電探測(cè)器的更新?lián)Q代,提供了多種選擇。

然而,二維材料與光會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用同時(shí),由于實(shí)際制備二維材料光電探測(cè)器的二維材料多為薄層甚至單層,單次穿透其的入射光只有很少一部分被材料吸收。以單層石墨烯為例:單層石墨烯對(duì)單次穿過(guò)其的光,吸收率僅為2.3 %[5],如圖1所示,導(dǎo)致單純的石墨烯光電探測(cè)器光響應(yīng)度很低,通常會(huì)小于10 mA·W-1,需要采用一定的手段對(duì)二維材料光電探測(cè)器進(jìn)行改善增強(qiáng)。

圖1 石墨烯光吸收測(cè)試[5]

本文分兩個(gè)部分分別介紹現(xiàn)有二維材料光電探測(cè)器的研究進(jìn)展以及通過(guò)超材料,諧振器等方式實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)增強(qiáng)改善探測(cè)的性能?？蔀橄嚓P(guān)研究人員提供參考。

2 常見(jiàn)二維材料制備的光電探測(cè)器

2.1 石墨烯光電探測(cè)器

單層石墨烯原子結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示,石墨烯的結(jié)構(gòu)是呈現(xiàn)蜂巢狀,由碳原子經(jīng)過(guò)sp2軌道雜化形成的,其中原子軌道呈現(xiàn)為平面三角形的結(jié)構(gòu)。此外每個(gè)碳原子還有一個(gè)未參與雜化的p軌道,p軌道上的電子會(huì)形成一個(gè)離域的大π鍵,從而使電子更容易在石墨烯表面上自由運(yùn)動(dòng),這也是石墨烯具有超快載流子遷移率的原因之一。石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示,石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)在倒格子k空間中,可以得到狄拉克錐結(jié)構(gòu)。其導(dǎo)帶與價(jià)一點(diǎn),即狄拉克點(diǎn)。純凈的石墨烯費(fèi)米能級(jí)位于狄拉克點(diǎn),因此純凈的石墨烯為電中性。通過(guò)對(duì)石墨烯費(fèi)米能級(jí)的調(diào)控,很容易將石墨烯中多數(shù)載流子類型調(diào)節(jié)成n型或p型,便于石墨烯應(yīng)用于制備雙極性器件。由于石墨烯的色散關(guān)系(即波矢與能量的關(guān)系)是線性的,石墨烯可以表現(xiàn)出許多獨(dú)特的光電特性。2009年,Fengnian Xia等人將單層石墨烯制備成場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(c)所示[7]。在具有氧化硅層的硅襯底上,鋪上一層石墨烯,在石墨烯的兩側(cè)制備金屬電極,底部的硅襯底層與大地連接。通過(guò)壓焊的方式將電極與測(cè)試端連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的測(cè)試。單層的石墨烯光電探測(cè)器帶寬測(cè)試如示意圖2(d)所示,其結(jié)果顯示石墨烯光電探測(cè)器的工作帶寬可以達(dá)到40 GHz?？梢?jiàn)單層的石墨烯光電探測(cè)器可以在高頻下工作,其具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。但是由于石墨烯材料沒(méi)有帶隙,其單次光吸收率僅為2.3%,單純的石墨烯光電探測(cè)器的光響應(yīng)度均小于10 mA·W-1,這將極大限制石墨烯光電探測(cè)器在光探測(cè)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

圖2 石墨烯光電探測(cè)器

2.2 二硫化鉬光電探測(cè)器

隨著過(guò)渡族金屬硫族化合物制備成功,有效彌補(bǔ)了石墨烯光吸收弱這一缺點(diǎn)。因?yàn)檫^(guò)渡族金屬硫族化合物具有一定的帶隙,且一定程度上帶隙可以通過(guò)一些方式(例如:對(duì)材料施加應(yīng)力的方式)進(jìn)行調(diào)控,使過(guò)渡族金屬硫族化合物制備的光電探測(cè)器在一些方面的性能參數(shù)會(huì)優(yōu)于石墨烯光電探測(cè)器。過(guò)渡族金屬硫族化合物是一類二維材料的統(tǒng)稱,其化學(xué)構(gòu)成式具有統(tǒng)一的形式,即為MX2。其中M代表為過(guò)渡族金屬的原子,X為硫族化合物的原子。通過(guò)排列組合方式,可以推算出大概有40多種過(guò)渡族金屬硫族化合物的組合,其中已被制備出的過(guò)渡族金屬硫族化合物中具有代表的有:二硫化鉬(MoS2)、二硫化鎢(WS2)、二硒化鎢(WSe2)等材料。通過(guò)剝離塊體的過(guò)渡族金屬硫族化合物材料可以得到其單層的二維材料,也可通過(guò)化學(xué)氣相沉積等方式,在基底上直接沉積生長(zhǎng)出片層的過(guò)渡族金屬硫族化合物二維材料。過(guò)渡族金屬硫族化合物中常見(jiàn)的幾種晶體結(jié)構(gòu),如圖3所示。其中,2H相結(jié)構(gòu)通常是一種半導(dǎo)體相結(jié)構(gòu),1T相結(jié)構(gòu)通常是金屬相結(jié)構(gòu),而3R相結(jié)構(gòu)則是一種不穩(wěn)定的過(guò)渡相結(jié)構(gòu)。可以根據(jù)實(shí)際的需求,選擇不同相結(jié)構(gòu)的過(guò)渡族金屬硫族化合物二維材料。下面就對(duì)過(guò)渡族金屬硫族化合物光電探測(cè)器中,最為典型的二硫化鉬光電探測(cè)器進(jìn)行詳細(xì)地介紹。

二硫化鉬塊體材料在自然界中主要存在于輝鉬礦里。二硫化鉬片層結(jié)構(gòu)可以通過(guò)機(jī)械剝離,液相剝離的方式得到,也可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積方式生長(zhǎng)得到。二硫化鉬單層原子結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu),即在兩層硫原子之間夾著一層鉬原子。單層二硫化鉬厚度僅為0.65 nm。單層二硫化鉬為直接帶隙半導(dǎo)體材料,它的能帶間隙為1.9 eV,而多層的二硫化鉬由于受到層與層之間的作用力影響為間接半導(dǎo)體材料,對(duì)應(yīng)的能帶間隙為1.3 eV。利用二硫化鉬能帶結(jié)構(gòu)可隨其層數(shù)變化而發(fā)生變化這一特點(diǎn),可為光電探測(cè)器的制備提供多種選擇。二硫化鉬原子結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)所示[9],該結(jié)構(gòu)下的二硫化鉬為2H半導(dǎo)體相結(jié)構(gòu)。2012年,Huang Zhang等人首次制備單層二硫化鉬光電探測(cè)器[10]。二硫化鉬制備的方式采用機(jī)械剝離,器件結(jié)構(gòu)及光響應(yīng)度測(cè)試結(jié)果如圖4(b)所示,溝道材料的兩側(cè)為蒸鍍的金屬電極,襯底為具有氧化硅層的硅襯底。采用電子束蒸鍍的方式蒸鍍二硫化鉬光電探測(cè)器的電極,會(huì)對(duì)溝道材料產(chǎn)生一定程度地影響,在溝道二硫化鉬表面產(chǎn)生表面態(tài),導(dǎo)致電極金屬的功函數(shù)被釘扎在溝道二硫化鉬能帶中的導(dǎo)帶底附近,因此常規(guī)工藝制備的二硫化鉬器件中,溝道二硫化鉬主要顯示為n型半導(dǎo)體特性。器件相比于石墨烯光電探測(cè)器具有更高的光響應(yīng),但光響應(yīng)度仍然處在較低的級(jí)別,僅為7.5 mA·W-1。

圖3 單層二維過(guò)渡族金屬硫族化合物常見(jiàn)的幾種晶體結(jié)構(gòu)[8]

2013年,Oriol Lopez-Sanchez等人通過(guò)微納加工的方式制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管形式的二硫化鉬光電探測(cè)器[11]。他們用聚焦激光(波長(zhǎng)為561 nm,有效光功率為0.425 μW)對(duì)制備的二硫化鉬光電探測(cè)器進(jìn)行光電流mapping測(cè)試,如圖4(c)所示,可以觀測(cè)到在二硫化鉬溝道處具有明顯高過(guò)其他位置的光電流,這體現(xiàn)出二硫化鉬光電探測(cè)器優(yōu)異的光電性能。為了進(jìn)一步檢測(cè)二硫化鉬光電探測(cè)器的性能,他們測(cè)試了不同偏壓下器件的源漏電流隨時(shí)間變化特性曲線,如圖4(d)所示。

圖4 二硫化鉬光電探測(cè)器

由于二硫化鉬光電探測(cè)器的光響應(yīng)機(jī)理為光導(dǎo)型,隨著偏壓不斷的加大,器件的光電流會(huì)隨之變大。此外也發(fā)現(xiàn)在具有氧化硅層的硅襯底上,二硫化鉬光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng),長(zhǎng)達(dá)秒級(jí)別,這嚴(yán)重限制了二硫化鉬光電探測(cè)器在快速光探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用,二硫化鉬器件響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)與材料本身具有的一些缺陷、雜質(zhì)有關(guān)。

2.3 其他具有代表的二維材料光電探測(cè)器

在二維材料中,一類有代表性的二維材料是具有各向異性的二維材料。用具有各向異性的二維材料制備的光電探測(cè)器主要特點(diǎn)如下:當(dāng)入射的激光束沿著不同偏振方向?qū)μ綔y(cè)器的光敏面進(jìn)行照射時(shí),探測(cè)器會(huì)產(chǎn)生有差異性的電學(xué)信號(hào)。利用各向異性材料制備的光電探測(cè)器這一特點(diǎn),可以對(duì)差異性的電學(xué)信號(hào)進(jìn)行分析,判斷出入射激光的偏振方向。因此具有各向異性的二維材料光電探測(cè)器可以應(yīng)用于對(duì)光的偏振檢測(cè),從而可以在探測(cè)的光信號(hào)中讀取更多的信息,豐富二維材料光電探測(cè)器的應(yīng)用。

二硫化錸(ReS2)是過(guò)渡族金屬硫族化合物中具有代表性的各向異性二維材料。與其他二維材料不同的是二硫化錸物理結(jié)構(gòu)特性受層數(shù)的影響比較小,所以不同層數(shù)二硫化錸光電探測(cè)器性能沒(méi)有明顯的變化。其主要原因是單層結(jié)構(gòu)的二硫化錸會(huì)產(chǎn)生佩爾斯畸變(peierls distortion),從而阻止二硫化錸層與層之間的有效堆垛,使得不同層數(shù)的二硫化錸結(jié)構(gòu)及性能相比于單層結(jié)構(gòu)的二硫化錸沒(méi)有明顯的差異。因此并不需要制備單層的二硫化錸光電探測(cè)器,就可以得到具有很高性能參數(shù)的光電探測(cè)器。這給制備二硫化錸光電探測(cè)器帶來(lái)了便利,降低了器件的制備難度。2016年,Zheng Liu等人利用薄層的二硫化錸制備成可以識(shí)別偏振光的光電探測(cè)器[12],光電探測(cè)器示意圖如圖5(a)所示,在具有氧化硅層的硅襯底上剝離出薄層二硫化錸薄片,在片層兩側(cè)蒸鍍電極,片層的厚度大約2 nm。并對(duì)器件進(jìn)行不同角度偏振光的探測(cè)測(cè)試,如圖5(b)所示,可見(jiàn)當(dāng)入射光的偏振角度從0°～90°變化過(guò)程中,器件光電流及光吸收的數(shù)值都會(huì)發(fā)生變化,因此二硫化錸光電探測(cè)器可以探測(cè)不同偏振角的偏振光。

圖5 二硫化錸光電探測(cè)器

黑磷(Black Phosphorus)作為一種具有代表性新型二維材料,同樣具有各向異性。2014年,我國(guó)科學(xué)家復(fù)旦大學(xué)的張遠(yuǎn)波教授首次制備成功黑磷。黑磷是磷材料的一種同素異形體,其原子結(jié)構(gòu)為褶皺扶手狀結(jié)構(gòu)[13],如圖6(a)所示。黑磷的帶隙可以隨層數(shù)變化進(jìn)行調(diào)控。對(duì)黑磷材料制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn),器件的載流子遷移率也可以隨著層數(shù)變化進(jìn)行調(diào)控。而且用黑磷材料作為溝道材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件通斷比高達(dá)108,對(duì)漏電流的調(diào)制率非常高,相比于同樣條件制備的石墨烯為溝道材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管,高出四個(gè)數(shù)量級(jí)。同年,Michele Buscema等人之制備了寬譜且響應(yīng)快速的黑磷場(chǎng)效應(yīng)晶體管形式的光電探測(cè)器[14]。黑磷一種直接帶隙半導(dǎo)體,塊體黑磷帶隙為0.35 eV,單層黑磷為2 eV。用少層黑磷制備的光電探測(cè)器在可見(jiàn)光到近紅外波段具有良好的光響應(yīng),探測(cè)器具有超快的響應(yīng)速度,響應(yīng)時(shí)間僅為1 ms。黑磷光電探測(cè)器示意圖如圖6(b)所示,在具有氧化硅層的硅襯底上制備黑磷光電探測(cè)器,電極為鈦或者金制備而成。由于黑磷具有各向異性,黑磷制備的光電探測(cè)器也可應(yīng)用在偏振檢測(cè)領(lǐng)域,對(duì)偏振光進(jìn)行有效地檢測(cè)。黑磷材料自身也存在一些問(wèn)題:黑磷的制備工藝不成熟,難以大面積制備。此外,黑磷作為一種易燃易爆的材料,在空氣中并不穩(wěn)定,容易發(fā)生降解。通常制備黑磷的材料要保存在手套箱之中,防止黑磷材料降解,或者與空氣發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致材料變性。解決黑磷材料的不穩(wěn)定問(wèn)題,是當(dāng)前黑磷研究中的突出問(wèn)題。

圖6 黑磷光電探測(cè)器

二維材料中除過(guò)渡族金屬硫族化合物以外,還有IIIA,IVA,IVB族金屬硫族化合物的二維材料,它們也可應(yīng)用在光電探測(cè)領(lǐng)域。下面以硫化鎵(GaS),二硫化錫(SnS2)制備的光電探測(cè)器為例進(jìn)行介紹:硫化鎵是IIIA與硫族元素的結(jié)合組成的一種二維材料。作為一種新型二維材料,硫化鎵具有較大的帶隙,硫化鎵帶隙為2.59 eV,是一種直接帶隙半導(dǎo)體。2013年,Pingan Hu等人利用硫化鎵單層納米帶,在具有氧化硅層的硅襯底上制備成場(chǎng)效應(yīng)晶體管形式的硫化鎵光電探測(cè)器[15],其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7(a)所示。硫化鎵光電探測(cè)器可在紫外波段進(jìn)行光探測(cè)。在入射光為254 nm波長(zhǎng)時(shí),硫化鎵光電探測(cè)器的光響應(yīng)度可以高達(dá)19.2 A·W-1,光電探測(cè)器的響應(yīng)譜寬如圖7(b)所示,其主要的探測(cè)范圍為紫外到可見(jiàn)光波段,硫化鎵光電探測(cè)器具有很高的外量子效率。此外硫化鎵也是一種各向異性的材料,硫化鎵光電探測(cè)器可以應(yīng)用于偏振探測(cè),檢測(cè)入射的偏振光。

圖7 硫化鎵納米光電探測(cè)器

二維材料二硫化錫是IVA與硫族元素結(jié)合構(gòu)成的,其帶隙為2.31 eV,在該帶隙下,可以有效地吸收可見(jiàn)光。2014年,Guoxiong Su等人采用化學(xué)氣相沉積的方法,在具有氧化硅的硅襯底上生長(zhǎng)了二硫化錫單晶薄層材料,并將材料制備成場(chǎng)效應(yīng)晶體管形式的光電探測(cè)器[16],其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8(a)所示。在波長(zhǎng)為457 nm的藍(lán)色激光照射時(shí),測(cè)試器件光電流隨時(shí)間變化特性曲線,其結(jié)果顯示二硫化錫光電探測(cè)器具有明顯的光響應(yīng),并且二硫化錫光電探測(cè)器具有快速地光電流響應(yīng),光響應(yīng)時(shí)間僅為5 μs,如圖8(b)所示。二維材料二硫化錫光電探測(cè)器具有超快的響應(yīng)速度,使得二維材料光電探測(cè)器在替換現(xiàn)有商用光電探測(cè)器的前景上,變得更加光明。

圖8 二硫化錫光電探測(cè)器

3 光場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器

3.1 光場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的原理

光場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器是增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的重要手段。光場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的原理是將光增強(qiáng)吸收的結(jié)構(gòu)置入到二維材料光電探測(cè)器中,增加入射光與二維材料溝道作用的次數(shù),或是將光增強(qiáng)吸收的結(jié)構(gòu)中吸收光產(chǎn)生的熱載流子導(dǎo)入到二維材料溝道之中,這種結(jié)構(gòu)大部分是超材料結(jié)構(gòu)。所謂超材料廣義就是自然界不存在具有優(yōu)異性能的超材料。在光學(xué)領(lǐng)域,超材料是2001年首次提出,它具有左手定則,負(fù)折射率等特點(diǎn)[17-20],通常電場(chǎng)的方向、磁場(chǎng)的方向、波矢k的方向滿足右手定則,即通過(guò)右手即可判斷三者之間方向的相互關(guān)系。但是超材料滿足的是左手定則,與常規(guī)材料不同,其介電常數(shù)為負(fù)數(shù),磁導(dǎo)率也為負(fù)數(shù),也稱“負(fù)材料”。本文中光場(chǎng)增強(qiáng)中主要是利用超材料的表面等離激元共振,F-P腔共振等原理產(chǎn)生強(qiáng)光吸收,使二維材料光電探測(cè)器不再受材料與光單次吸收光的吸收效率的影響。常見(jiàn)光場(chǎng)增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)有光波導(dǎo)、納米陣列、光柵、光學(xué)微腔等。下面就詳細(xì)介紹一下光場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器發(fā)展現(xiàn)狀。

3.2 光場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器的發(fā)展現(xiàn)狀

2011年,Yuan Liu等人將金納米陣列置入到石墨烯光電探測(cè)器中[21],器件的示意圖如圖9(a)所示。在金納米陣列的作用下,石墨烯光電探測(cè)器的光電流可以有效地提高,外量子效率可以提高到1500 %。當(dāng)光照射到金納米陣列表面時(shí),在金納米陣列表面會(huì)產(chǎn)生局域表面激元共振,使得金屬納米顆粒的周圍電場(chǎng)有效增強(qiáng),在可見(jiàn)光范圍內(nèi),有效提高石墨烯光電探測(cè)器的光響應(yīng)度。光電探測(cè)器的光電流增強(qiáng)譜寬如圖9(b)所示,增強(qiáng)的光電流在530 nm處有一個(gè)明顯的峰值,而石墨烯和納米顆粒的共軛的消光峰的峰值就在530 nm附近。這更加印證了這種增強(qiáng)機(jī)制是金屬顆粒產(chǎn)生的局域表面等離激元共振。在波長(zhǎng)540 nm左右,增加強(qiáng)度為最強(qiáng),光電流的增加率為500 %。2012年,Marco Furchi等人為了增強(qiáng)石墨烯光電探測(cè)器,將光學(xué)微腔置入到石墨烯光電探測(cè)器中[22],器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖9(c)所示,在特定波長(zhǎng)下,石墨烯光電探測(cè)器的光電流被有效地增強(qiáng),該光學(xué)微腔為法布里-珀羅諧振腔(Fabry-Pérot cavity)。所謂法布里-珀羅諧振腔是由兩塊平行的玻璃板組成,兩塊玻璃板相對(duì)的平面都具有較高的反射率,當(dāng)有光斜照射進(jìn)腔體中,入射光可以在平行玻璃板之間反復(fù)震蕩傳播。在石墨烯探測(cè)器中置入法布里-珀羅諧振腔,正是利用法布里-珀羅諧振腔中產(chǎn)生的共振,使入射的激光束可以多次穿過(guò)探測(cè)器中石墨烯層,從而累計(jì)增加溝道石墨烯對(duì)入射光的吸收。置入法布里-珀羅諧振腔后的器件中石墨烯的光吸收相比于單純器件中的石墨烯提高了26倍。使得在特定波長(zhǎng)864 nm下,石墨烯的光吸收率可以大于60%,并且測(cè)得置入法布里-珀羅諧振腔后,石墨烯光電探測(cè)器的光響應(yīng)度可達(dá)到21 mA·W-1。

綜上所述,通過(guò)在石墨烯光電探測(cè)器中置入金納米陣列、光學(xué)微腔等方式可以在特定波長(zhǎng)下,增強(qiáng)石墨烯光電探測(cè)器的光響應(yīng)度。寬譜領(lǐng)域的探測(cè)研究還比較少。

2013年,Xuetao Gan等人將光波導(dǎo)置入到石墨烯光電探測(cè)器中[23],如圖9(d)所示。制備的石墨烯光電探測(cè)器響應(yīng)速度較快,光響應(yīng)度較高,并且相比于單波長(zhǎng)探測(cè),具有更寬的光譜探測(cè)范圍。在近紅外1450 nm到1590 nm范圍內(nèi),光電探測(cè)器平均的光響應(yīng)度大于0.1 A·W-1,器件的響應(yīng)速率超過(guò)20 GHz。但是這種方式增強(qiáng)石墨烯光電探測(cè)器的響應(yīng)波段依舊比較窄,無(wú)法實(shí)現(xiàn)利用石墨烯光電探測(cè)器進(jìn)行寬譜探測(cè)。2016年,Chucai Guo等人將聚甲基丙烯甲酯(poly(methyl)methacrylate,PMMA)制備成光柵鋪放在石墨烯的表面,并將金鏡置入到石墨烯光電探測(cè)器的底部[24]。光照時(shí),在PMMA光柵表面會(huì)形成等離激元共振,在底部的金鏡與表面的PMMA的組成的法布里-珀羅諧振腔會(huì)形成法布里-珀羅諧振腔共振,利用這兩種機(jī)制可以增強(qiáng)石墨烯光電探測(cè)器,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9(e)所示。通過(guò)對(duì)器件結(jié)構(gòu)的光吸收模擬以及實(shí)際測(cè)試,可以得到制備的結(jié)構(gòu)在1.5 μm波長(zhǎng)處可以實(shí)現(xiàn)接近99%的光吸收,且吸收峰的半高寬為20 nm。并且通過(guò)改變結(jié)構(gòu)中PMMA光柵的參數(shù)及氧化硅層厚度等參數(shù),可以調(diào)控結(jié)構(gòu)光吸收譜中峰值的位置。如圖9(f)所示,通過(guò)有限元光學(xué)模擬的結(jié)果與測(cè)試得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,可以體現(xiàn)出相關(guān)模擬理論的可行性。通過(guò)這種方式的理論模擬光吸收強(qiáng)度以及光場(chǎng)空間分布,可以為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供結(jié)構(gòu)參數(shù)的指導(dǎo)。但是從圖中也發(fā)現(xiàn)有效增強(qiáng)石墨烯光吸收的波段依舊比較窄,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的寬譜吸收。綜上是光場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器研究的一些發(fā)展背景,可見(jiàn)現(xiàn)階段通過(guò)光場(chǎng)增強(qiáng)的方式來(lái)增強(qiáng)石墨烯光電探測(cè)器,還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)寬譜范圍的增強(qiáng)。

圖9 光場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器

4 結(jié)論與展望

本文首先詳細(xì)介紹了二維材料光電探測(cè)器發(fā)展現(xiàn)狀,其經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展,其在各波段探測(cè)都有了顯著的研究進(jìn)展,成果豐碩。同時(shí)也需要通過(guò)一些手段,進(jìn)一步改善其性能。隨后介紹了通過(guò)光場(chǎng)增強(qiáng)的方式來(lái)增強(qiáng)石墨烯等二維材料光電探測(cè)器研究進(jìn)展,現(xiàn)階段研究實(shí)現(xiàn)了在特定波段的增強(qiáng),但寬譜范圍探測(cè)增強(qiáng)研究還較少,需要加大寬譜光增強(qiáng)二維材料的研究,進(jìn)一步拓展二維材料光電探測(cè)器在寬譜探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。