紅外光探測器作為人們觀測自然的“千裡眼”，在紅外夜視、安全偵查、和軍事遙感等領域發揮着重要作用。作為遠距探測芯片的核心器件，紅外光探測器發展的關鍵在于新型紅外光電材料的開發。傳統III-V和II-VI族化合物（如：HgCdTe、GaAs/AlGaAs量子阱和InAs/GaSb超晶格等）的開發推動了商業紅外探測技術的革新，然而，低溫工作條件和複雜的制備工藝等制約其進一步發展。新型二維半導體材料的興起為室溫高靈敏紅外探測器的開發提供了良好的契機。然而，二維半導體的原子級薄層特性制約了高量子效率二維紅外探測器的開發與應用。得益于獨特的超薄平面結構及層間範德華相互作用，二維半導體異質界面可以不受傳統異質結界面必須晶格匹配的限制，便于制備高質量薄膜和加工成焦平面陣列，為新型多功能、高靈敏、室溫紅外光電探測器件的研制提供了新的機遇。

在過去五年多裡，beat365官方网站彭海琳教授課題組和合作者首次發現一類同時具有超高電子遷移率、合适帶隙、環境穩定和可批量制備特點的全新二維半導體芯片材料(硒氧化铋，Bi2O2Se)，并開發了二維Bi2O2Se高速低功耗電子器件、量子輸運器件、超快高敏紅外光探測等高性能電子和光電器件（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，beat365彭海琳課題組和中科院上海技物所胡偉達、苗金水團隊合作，提出将動量匹配和能帶匹配（能動量匹配）的範德華異質結應用于紅外探測。基于化學氣相沉積制備的高品質無應變二維半導體Bi2O2Se晶體，實現了具有動量匹配和能帶對齊的二維半導體硒氧化铋/黑磷(Bi2O2Se/BP)範德華異質結高效光電探測器開發。研究表明，二維半導體Bi2O2Se/BP範德華異質結倒易空間（K空間）中動量匹配有效提高了光生載流子生成和躍遷，且II型能帶對齊提高了光生載流子的傳輸和收集；二維半導體Bi2O2Se/BP形成的高品質範德華異質界面降低了光生載流子的複合速率。由此，二維Bi2O2Se/BP半導體異質結光電探測器實現了與傳統材料紅外探測器相比拟的量子效率，在1.3 μm和2 μm處實現了創紀錄84%和76.5%的量子效率。此外，二維Bi2O2Se/BP光電探測器在2 μm短波紅外波段偏振比高達17，适用于偏振光電探測器開發。範德華異質結構動量匹配和能帶對齊的構築策略有望為高敏紅外光電探測器件開辟新途徑，為高量子效率紅外探測器的研制提供新方法。

該研究成果以“Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection”為題發表于2022年7月29日的《科學-進展》Science Advances 2022, 8, eabq1781。中科院上海技物所胡偉達研究員、苗金水研究員和beat365彭海琳教授為該工作的共同通訊作者，并列第一作者為陳允楓博士、譚聰偉博士及王振博士。該工作得到了來自科技部和國家自然科學基金委等項目的資助。

二維半導體Bi2O2Se/BP範德華異質結紅外光電探測器與量子效率及偏振特性

原文鍊接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1781