李家意，丁一，張衛(wèi)，周鵬

復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院，專用集成電路和系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433

1 引言

自2004年1發(fā)現(xiàn)單一碳原子層組成的石墨烯以來，引起了科學(xué)界對(duì)二維層狀材料的廣泛關(guān)注。石墨烯具有超大的比表面積2，良好的面內(nèi)熱電導(dǎo)率3，超高的載流子遷移率4以及相對(duì)較小的楊氏模量5，促使了它在超快響應(yīng)的高頻光電探測(cè)器中的應(yīng)用6-8。盡管石墨烯的光吸收系數(shù)較高9，但由于單層石墨烯厚度的限制，它只能吸收2.3%的可見光和紅外入射光7,8；另外，由于石墨烯的帶隙寬度為零，導(dǎo)致探測(cè)器中的光生載流子的壽命較短，不利于有效光電流的產(chǎn)生6,10,11。除石墨烯外，目前發(fā)現(xiàn)的二維材料還包括過渡金屬二硫化物(TMDs)、黑磷(BP)以及六方氮化硼(h-BN)等。這些層狀材料具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以及獨(dú)特的物理特性，可通過引入外加電場(chǎng)或者化學(xué)摻雜來調(diào)控它們的性質(zhì)12-14。由于它們具有不同的帶隙寬度，可分別表現(xiàn)為金屬、半導(dǎo)體、絕緣體以及超導(dǎo)體等不同的特性，其光譜響應(yīng)范圍包含了從紅外到紫外以及整個(gè)可見光區(qū)域。因?yàn)槎S層狀材料在面外方向的量子限制效應(yīng)以及對(duì)稱性的改變，因此它的電學(xué)和光學(xué)特性容易受材料層數(shù)的影響15,16。例如體材料形式的TMDs表現(xiàn)為間接帶隙半導(dǎo)體，而單層的TMDs轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋?，而且隨著材料層數(shù)的減少其帶隙寬度逐漸增加；另外原子層薄的二維半導(dǎo)體具有良好的透明性和機(jī)械韌性，能夠應(yīng)用于可穿戴、便攜式的電子器件。

基于可選擇的二維層狀材料構(gòu)建的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出新穎的物理特性和多功能化的應(yīng)用17-20，可實(shí)現(xiàn)原子規(guī)模的器件集成。目前范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的主要制備方法為干法轉(zhuǎn)移和化學(xué)氣相沉積(CVD)，由于它們的相鄰層間作用力較弱，因此相比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，它們對(duì)不同二維材料間的晶格失配要求較低。而且異質(zhì)結(jié)的界面為原子級(jí)突變，可控制材料間的堆疊順序，使其展現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)特性，非常有潛力應(yīng)用于未來的寬頻帶響應(yīng)的光電器件。光電探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)將采集到的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，在日常生活中的應(yīng)用非常廣泛，包括環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)學(xué)成像、光通信、安檢以及軍事化應(yīng)用等7-9,21。由晶體硅制作的可見光和近紅外探測(cè)器主導(dǎo)了當(dāng)前的光電探測(cè)器市場(chǎng)，但硅基半導(dǎo)體在光電探測(cè)器的應(yīng)用上也存在著一些局限性。首先，硅基半導(dǎo)體的制造技術(shù)已經(jīng)接近摩爾定律的極限，當(dāng)器件尺寸縮小到一定程度，經(jīng)典物理理論不再適用，也會(huì)出現(xiàn)短溝道效應(yīng)等對(duì)器件性能產(chǎn)生影響的現(xiàn)象；其次，硅基光電探測(cè)器對(duì)光的吸收系數(shù)小，吸收光譜窄，絕大部分紅外波長的光都無法吸收，大大限制了硅基光電探測(cè)器的廣泛應(yīng)用；另一方面，硅基材料中較長的載流子壽命引起載流子的擴(kuò)散，會(huì)干擾相鄰像素點(diǎn)間的光信號(hào)檢測(cè)。

因此當(dāng)前對(duì)柔韌性好、光吸收效率高、光響應(yīng)范圍廣以及透明性好的新材料的需求日益增加。新興的二維材料具有眾多優(yōu)異的物理特性，可彌補(bǔ)體材料硅工藝的缺陷，非常有前景應(yīng)用于未來高性能的光電探測(cè)器。

在本文中，我們首先簡要介紹了二維材料的基本特性與主流的制備方法；然后探討了光電探測(cè)器的機(jī)理和性能參數(shù)；主要總結(jié)了基于二維材料以及范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器應(yīng)用；最后對(duì)二維材料的發(fā)展以及未來的挑戰(zhàn)進(jìn)行了簡短的總結(jié)與展望。

2 二維材料的基本特性和制備方法

2.1 二維材料的基本特性

二維層狀材料通常指由單個(gè)或者多個(gè)原子層組成，厚度在1-10 nm之間的晶體材料。自半金屬石墨烯單原子層成功剝離以來，越來越多的二維材料被人們所發(fā)現(xiàn)，包括半導(dǎo)體BP、TMDs以及絕緣體h-BN等。大量的二維材料都展現(xiàn)出獨(dú)特的物理特性，接下來我們將集中介紹這些材料的光電性能，如圖1所示。

2.1.1 石墨烯

石墨烯是由共價(jià)鍵和的碳原子單層組成的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，如圖1a所示。數(shù)層石墨烯在空氣中仍然能夠保持穩(wěn)定1，它們的極性由氧化石墨烯所決定24。另外石墨烯表現(xiàn)為帶隙為零的半金屬，具有超高的載流子遷移率25，低溫下可達(dá)200000 cm2·V-1·s-1，使得石墨烯的光譜吸收范圍包括可見光26,27以及長波紅外28甚至到太赫茲頻率29，如圖1b所示。而且石墨烯的線性電子結(jié)構(gòu)使得它的功函數(shù)可受外部電場(chǎng)30、熱退火31、化學(xué)修飾32-34等方法調(diào)控，展現(xiàn)出局部的光電透明性，因此石墨烯在光電探測(cè)器領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用。

2.1.2 過渡金屬二硫化物

目前發(fā)現(xiàn)的TMDs超過40多種，它們最基本的化學(xué)式為MX2，其中M代表金屬原子，通常為鉬、鎢、錫；X代表硫族元素，典型的有硫、硒、碲等。這些層狀材料可以通過從自然生長的礦物質(zhì)15,35或者人工合成的晶體36上剝離，也可采用CVD的方法合成37-40。目前研究最多的TMDs (例如MoS2、MoSe2、WSe2和WS2)具有典型的帶隙可調(diào)節(jié)的特性，當(dāng)其由體材料轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌訒r(shí)，能帶由間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋?。另外，TMDs的禁帶寬度也可通過外加電場(chǎng)或者機(jī)械應(yīng)力所調(diào)節(jié)，可從半導(dǎo)體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，它們的光響應(yīng)度同樣容易受到調(diào)控41-45。這些TMDs的帶隙寬度一般在1-2 eV之間，室溫下測(cè)量的載流子遷移率通常為100 cm2·V-1·s-1左右。值得注意的是，TMDs可應(yīng)用于光生伏特器件，設(shè)計(jì)成強(qiáng)大的超薄場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，能夠獲得60 mV·dec-1左右的亞閾值擺幅，同時(shí)對(duì)應(yīng)108的電流開關(guān)比46。原子水平的TMDs的本征柔韌性較高且適用于載流子傳輸，因此，這些材料制備的薄膜是理想的柔性襯底，在柔性和便攜式電子器件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 常見二維材料的特性Fig. 1 The properties of common two-dimensional materials.(a) The structure and bandgap of Graphene, BP, TMDs and h-BN 22. (b) The optical spectrum from terahertz to ultraviolet 23. Color online.

2.1.3 黑磷

著稱為磷烯的單層BP是另外一種二維層狀材料，其獨(dú)特的性質(zhì)已經(jīng)引起了研究者們廣泛的關(guān)注。體材料形式的BP具有較強(qiáng)的各向異性，表現(xiàn)為扶手椅型縱向錯(cuò)列的六方晶格結(jié)構(gòu)，如圖1a所示。BP的禁帶寬度同樣取決于材料的層數(shù)，可由體材料形式0.33 eV的帶隙寬度轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌拥?.5 eV47,48，其光譜吸收范圍也涵蓋了從可見光到近紅外區(qū)域，如圖1b所示，且少層的BP具有1000 cm2·V-1·s-1左右的高載流子遷移率47,49。另外，BP的高電流開關(guān)比(105)和雙極性特性可用于實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)型二維半導(dǎo)體電子器件，其本征的直接帶隙和良好的載流子遷移率將縮小石墨烯和TMDs之間的差距。

2.1.4 六方氮化硼

h-BN是具有類似于石墨烯蜂巢晶格結(jié)構(gòu)的直接帶隙半導(dǎo)體，其禁帶寬度大約為6 eV50，因此它是一種近乎完美的電介質(zhì)。其禁帶寬度對(duì)應(yīng)中紫外區(qū)域，使得它能夠應(yīng)用于高性能、無太陽光的深紫外探測(cè)器51-55。h-BN同樣能夠被剝離至單層，廣泛應(yīng)用于超平絕緣襯底56、靜電柵、超薄隧穿勢(shì)壘以及封裝材料57,58。

2.2 二維材料的制備方法

2.2.1 微機(jī)械剝離

微機(jī)械剝離是制備石墨烯采用的第一種物理方法。Novoselov等1在1 mm厚的高度取向的熱解石墨表面上進(jìn)行干法等離子體刻蝕，然后將其粘合到玻璃基板上，放置在光刻膠表面上，烘烤，反復(fù)剝離，并在丙酮溶液中洗滌。最后，用丙醇處理玻璃基板上的剩余石墨，得到單層石墨烯。利用石墨烯的這種剝離方法，已經(jīng)成功制備了單層或者少層的其它非碳的二維層狀材料，例如TMDs(MoS235，MoSe259，WS260，WSe261等)，h-BN62和少層的BP49。在目前較典型的工藝過程中，使用透明膠帶將層狀的固體薄片反復(fù)的粘黏和剝離成更薄的層狀，直到膠帶上獲得單層或者少層的薄膜，然后將薄膜用丙酮清洗，轉(zhuǎn)移至氧化的硅襯底表面。剝離的薄膜層數(shù)可通過光學(xué)顯微鏡、原子力顯微鏡(AFM)、掃描隧道顯微鏡(SEM)、高分辨率的透射電子顯微鏡(HRTEM)測(cè)量。剝離的二維薄膜維持它在體材料形態(tài)中的晶格結(jié)構(gòu)，即使在大氣環(huán)境下也能保持?jǐn)?shù)月的穩(wěn)定。微機(jī)械剝離是一種低成本且便利的二維材料制備方法，非常適用于要求二維薄膜晶格結(jié)構(gòu)完整、結(jié)晶度高、缺陷少的基本研究。然而，較低的生產(chǎn)能力使得這種穩(wěn)定的材料制備工藝極具挑戰(zhàn)，另外，這種方法缺乏對(duì)剝離薄膜的均勻性、尺寸以及厚度的控制，使得其無法滿足實(shí)際的應(yīng)用要求。

2.2.2 液相剝離

另一種制備少層或者單層二維材料的方法是液相剝離，可劃分為溶劑剝離和化學(xué)剝離。其中溶劑剝離過程一般為將塊形態(tài)的層狀晶體或者粉末分散到合適的有機(jī)溶劑中，采用超聲處理的外加能量將體材料剝離成原子層薄膜，然后將所得的溶液離心處理來分離晶體。決定分散質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)是超聲的時(shí)間和離心的速率，此外合適溶劑的選擇是另外一個(gè)重要的因素，并且有研究表明，表面張力類似于2D層狀材料的表面能的溶劑不僅可以最大限度地降低剝離的能量成本，而且還有助于薄膜的分離。在一些常見的溶劑中，包括二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亞砜(DMSO)、異丙醇(IPA)、環(huán)己基吡咯烷酮，已經(jīng)成功地合成了各種二維層狀材料，例如MoS2、WS2、MoSe2、MoTe2、NbSe2、VS2和h-BN63-67。通常，該方法產(chǎn)生的單層和多層二維納米薄片在微米尺寸范圍內(nèi)均勻分散在溶劑中。密度梯度的超速離心法已經(jīng)被證明是從溶液中分離單層氧化石墨烯的有效方法，可用于分離溶劑中單層與少層的薄膜。

雖然溶劑剝離法可用于制備大規(guī)模的薄膜，且成本低，但仍然存在薄膜的厚度不均勻以及單層薄膜、大面積薄膜的產(chǎn)率低等問題，嚴(yán)重限制了其在電子和光電子器件中的應(yīng)用，所以化學(xué)剝離法也應(yīng)運(yùn)而生。層狀體材料的夾層會(huì)與小離子相互作用，在外部攪動(dòng)的作用下打破層間的范德瓦爾斯作用力分離成層狀薄膜。通過合適的溶劑洗去多余的離子以及有機(jī)殘留物質(zhì)即可獲得懸浮的單層薄膜，這種方法目前已成功用于制備單層的TMDs，例如MoS268,69和WSe270。鋰離子嵌入剝離法是當(dāng)前大規(guī)模、低成本制備單層二維材料較為理想和通用化的手段，但仍然存在著層狀材料的均勻性分離以及精確控制薄膜尺寸等問題。而且在鋰離子嵌入剝離法的過程中層狀材料表面存在不可避免的鋰離子吸收，最終將削弱器件的電學(xué)或者光學(xué)性能71。而且，劇烈的嵌入或超聲處理會(huì)使薄膜的質(zhì)量嚴(yán)重降低，并且會(huì)引入相當(dāng)大的雜質(zhì)和缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷不利于精確的電子和光子應(yīng)用。盡管如此，這些溶液剝離的材料在光電和電催化應(yīng)用領(lǐng)域仍然具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2.3 化學(xué)氣相沉積

CVD是目前生長包括二維材料在內(nèi)的納米材料較為有效的方法，其在外延生長2D/2D異質(zhì)結(jié)中也被廣泛使用。在CVD過程中，通常將襯底放置在爐腔中，然后暴露于一種或多種氣體前體，在特定條件下使其在襯底上發(fā)生反應(yīng)或者分解以制備所需的材料。相較于微機(jī)械和液相剝離法，CVD工藝具有操作簡單、靈活性強(qiáng)、可重復(fù)性好等明顯優(yōu)勢(shì)，而且所制備的薄膜厚度可控制，尺寸可擴(kuò)展，已經(jīng)應(yīng)用于合成大面積均勻的二維TMDs。通常采用硫粉或者硒粉與三氧化鉬(MoO3)或者三氧化鎢(WO3)粉末作為CVD合成TMDs的反應(yīng)源，合成鎢、鉬的硫族化物。

Xia等72采用常壓CVD法在SiO2/Si襯底上直接合成了高質(zhì)量的硒化鉬(MoSe2)原子層。以MoO3和Se粉末作為前體，襯底為300 nm的SiO2/Si，通以高純度的氬氣作為載氣，在高溫下發(fā)生反應(yīng)，所制備的MoSe2厚度為單層或者少層，如圖2a所示。值得注意的是，作者并未采用氫氣作為還原劑，常壓下即可制備MoSe2薄膜。Qian等73采用分步低壓CVD法實(shí)現(xiàn)了在鉑箔上直接生長石墨烯/h-BN縱向異質(zhì)結(jié)。先通過低壓CVD在鉑箔上生長出h-BN薄膜，然后以其為襯底，甲烷為碳元素前體的載體，直接生長出石墨烯/h-BN異質(zhì)結(jié)，如圖2b所示，最后通過電化學(xué)起泡轉(zhuǎn)移方法將異質(zhì)結(jié)轉(zhuǎn)移至300 nm的SiO2/Si襯底上。作者發(fā)現(xiàn)，在h-BN薄膜上直接生長的石墨烯能夠避免界面污染，保持其原始的特性，產(chǎn)生潔凈的界面。而且由于石墨烯和h-BN的晶格結(jié)構(gòu)非常類似，生長過程中碳原子會(huì)大面積的擴(kuò)散至h-BN薄膜，產(chǎn)生的異質(zhì)結(jié)的結(jié)面積大，最終的電子遷移率高達(dá)2000-8000 cm2·V-1·s-1。

圖2 CVD過程機(jī)理圖Fig. 2 Schematic description of the CVD process.(a) Large-area MoSe2 atomic layers synthesized via the CVD process 72.(b) Two-step CVD synthesis of WSe2/SnS2 heterostructure 73,74.Color online.

CVD作為外延生長基于超薄二維納米薄膜異質(zhì)結(jié)的高度可控的制備工藝，可以通過精準(zhǔn)調(diào)節(jié)生長溫度，反應(yīng)時(shí)間，氣體或蒸汽前體的濃度和流速以及所用前體和襯底的性質(zhì)來控制生長。值得注意的是，CVD合成中使用的前體可以是固體，氣體或兩者的混合物，采用不同的前體和靶材料對(duì)應(yīng)不同的CVD設(shè)置條件。然而，通過CVD直接生長異質(zhì)結(jié)通常受限于每個(gè)二維層狀材料的高靈敏生長條件，使得在不損壞先前制備的層狀材料的前提下難以確保高質(zhì)量的原子晶體，因此導(dǎo)致二維材料的層間失配。

3 光電探測(cè)器的工作原理和主要性能參數(shù)

3.1 光電探測(cè)器的工作原理

光電探測(cè)器能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(光電流或光電壓)，其工作原理主要包括以下幾類：光伏效應(yīng)(PVE)、光電導(dǎo)效應(yīng)(PCE)、光柵效應(yīng)(PGE)、光熱電效應(yīng)(PTE)，輻射熱效應(yīng)(PBE)。

3.1.1 光伏效應(yīng)(PVE)

光生載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下發(fā)生分離并且定向移動(dòng)，形成光電流。由于材料的功函數(shù)不同，在p-n結(jié)或肖特基結(jié)中都能產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)。器件兩端不加電壓時(shí)產(chǎn)生短路電流ISC，開路時(shí)電荷積聚在兩端，產(chǎn)生開路電壓VOC。在黑暗條件和光照條件下，光電探測(cè)器均表現(xiàn)出整流特性。利用光伏效應(yīng)的光電探測(cè)器通常工作在反偏或零偏狀態(tài)下，此時(shí)暗電流較小，量子效率大。在零偏狀態(tài)下，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生一個(gè)較大的短路電流ISC，并且此時(shí)暗電流有最小值，線性度和靈敏度更好，因此適用于對(duì)探測(cè)精度要求較高的情況；在反偏狀態(tài)下，反偏電壓加強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)載流子的分離，降低了載流子的渡越時(shí)間，因此可應(yīng)用于高速器件。當(dāng)反偏電壓較大時(shí)，發(fā)生載流子的雪崩擊穿，可以應(yīng)用于雪崩光電二極管(APD)。

3.1.2 光電導(dǎo)效應(yīng)(PCE)

半導(dǎo)體吸收能量大于其帶隙寬度的光子，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在外加偏壓下，光生載流子分離，電子和空穴分別向源極和漏極定向移動(dòng)，產(chǎn)生光電流IP，其中IP為總電流和暗電流之差，即IP=Ilight- Idark。光生載流子濃度的增加導(dǎo)致了電導(dǎo)率的增加，可表示為Δσ = Δneμ。光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)的區(qū)別在于，在光伏效應(yīng)中載流子的分離是由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，而在光電導(dǎo)效應(yīng)中載流子由外加偏壓分離，因此必須有外加偏壓才能表現(xiàn)出光電導(dǎo)效應(yīng)。

3.1.3 光柵效應(yīng)(PGE)

光柵效應(yīng)可以看做光電導(dǎo)效應(yīng)的一種特殊情況，也表現(xiàn)為在光照下電導(dǎo)率的改變。光激發(fā)產(chǎn)生兩種載流子，其中一種載流子被陷阱俘獲，另一種載流子在溝道中傳輸。俘獲了載流子的陷阱狀態(tài)可看做局部浮柵，調(diào)制溝道的電導(dǎo)率。若陷阱俘獲空穴帶正電，則轉(zhuǎn)移特性曲線左移；若陷阱俘獲電子帶負(fù)電，則轉(zhuǎn)移特性曲線右移。光柵效應(yīng)產(chǎn)生的光電流可能小于暗電流也可能大于暗電流。

3.1.4 光熱電效應(yīng)(PTE)

光熱電效應(yīng)發(fā)生在非均勻光照的情況下。非均勻光照(當(dāng)光照面積小于器件尺寸或者器件的不同地方對(duì)光的吸收系數(shù)不同時(shí))導(dǎo)致半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生溫度梯度和溫度差ΔT，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，半導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差VPTE，用公式表示為VPTE= (S1-S2)ΔT，其中S1和S2分別表示兩種材料的塞貝克系數(shù)。即使在零偏的情況下，由于熱電電勢(shì)差的存在，也能產(chǎn)生光電流，但VPTE的值通常比較小，因此金屬和半導(dǎo)體之間需要有較好的歐姆接觸。

3.1.5 輻射熱效應(yīng)(PBE)

輻射熱效應(yīng)主要發(fā)生在熱敏材料中。光照導(dǎo)致半導(dǎo)體材料溫度升高，熱敏材料電阻率變大或變小，因此光電流可能小于暗電流也可能大于暗電流。盡管光熱電效應(yīng)和輻射熱效應(yīng)都與光照導(dǎo)致的溫度變化有關(guān)，但不同的是，光熱電效應(yīng)不需要外加偏置就能產(chǎn)生光電流，而輻射熱效應(yīng)要求有外加偏置才能觀察到光電流。此外，在光熱電效應(yīng)中，光電流的符號(hào)和大小取決于塞貝克系數(shù)之差和載流子的極性，輻射熱效應(yīng)的光電流的符號(hào)和大小取決于半導(dǎo)體電阻率的改變。通常在石墨烯基的光電探測(cè)器中可以觀察到輻射熱效應(yīng)7,75。

3.2 光電探測(cè)器的性能參數(shù)

一般來說，需要有若干參數(shù)用于評(píng)價(jià)和比較光電探測(cè)器的探測(cè)性能，因此接下來將簡要介紹這些參數(shù)。

光響應(yīng)度(Photoresponsivity，R)：產(chǎn)生的光電流或光生電壓的大小與入射光功率的比值，用公式表示為RI= IP/P或RV= VP/P，其中，Iph為光電流，Vph為光生電壓，Pin為入射光功率。

外量子效率(External Quantum Efficiency，EQE)：光生電子空穴對(duì)的數(shù)量與入射光子數(shù)量的比值，用公式表示為EQE = Rhv/e，其中e為元電荷，h為普朗克常量，v為入射光頻率。

內(nèi)量子效率(Internal Quantum Efficiency，IQE)：光生電子空穴對(duì)的數(shù)量與吸收的光子數(shù)量的比值，在光照下，只有一部分光子被吸收，因此IQE可表示為EQE = Rhv/Aσe = EQE/Aσ，其中Aσ為吸收系數(shù)。

光電導(dǎo)增益(Photoconductive Gain，G)：用于評(píng)價(jià)光子產(chǎn)生光電流的能力，用公式表示為G =IP/qN，其中IP表示光照產(chǎn)生的光電流，N為光激發(fā)的電子空穴對(duì)的數(shù)目。一種載流子(例如空穴)被陷阱俘獲，壽命為τlife，另一種載流子(電子)能夠在溝道里傳輸，渡越時(shí)間為τtransit，如果載流子壽命比渡越時(shí)間長，則電子能夠在溝道里多次傳輸，產(chǎn)生光電導(dǎo)增益，因此光電導(dǎo)增益還有另一種表現(xiàn)形式為G = τlife/τtransit= μVDSτlife/L2，其中L為溝道長度，μ為載流子遷移率，VDS為加在溝道兩端的偏置電壓。

信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)：信噪比定義為信號(hào)功率和噪聲功率的比值，即SNR = 信號(hào)功率/噪聲功率。對(duì)于光電探測(cè)器來說，噪聲功率的大小決定了所能檢測(cè)到的最小信號(hào)強(qiáng)度的大小，因此對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)至關(guān)重要。當(dāng)SNR ＞ 1時(shí)，才能從噪聲中檢測(cè)到信號(hào)。

噪聲等效功率(Noise Equivalent Power，NEP)：NEP指在帶寬為1 Hz時(shí)，信噪比達(dá)到1所需要的最小入射光功率，用公式表示為NEP = P1/Δf1/2或其中P1表示信噪比為1時(shí)的入射光功為噪聲電流方均根的大小，因此，NEP的單位為W·Hz-1/2。NEP的大小代表了光電探測(cè)器的靈敏度，也稱為最小可探測(cè)功率。

響應(yīng)時(shí)間和截止頻率(Response Time and Cutoff Frequency)：響應(yīng)時(shí)間用來描述光電探測(cè)器隨光信號(hào)頻率變化的快慢，包括上升時(shí)間τr和下降時(shí)間τf，分別表示光電流大小從10%上升到90%和從90%下降到10%所需的時(shí)間。當(dāng)入射光頻率改變時(shí)，光電探測(cè)器的響應(yīng)度可表示為R(f) = R0/(1 +(2πfτ)2)1/2，其中R0為靜態(tài)光照下的光響應(yīng)度。當(dāng)R(f)下降到0.707R0(即下降3 dB)時(shí)的頻率定義為光電探測(cè)器的截止頻率fC。

線性動(dòng)態(tài)范圍(Linear Dynamic Range，LDR)：用來描述光電探測(cè)器所能探測(cè)的光信號(hào)強(qiáng)度的范圍，用公式表示為LDR = 10 × lg(Psat/NEP)，其中Psat為光電流剛開始達(dá)到飽和時(shí)的光強(qiáng)度值。

比探測(cè)率(Specific Detectivity，D*)：用于評(píng)價(jià)不同結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器性能的重要參數(shù)，排除了器件面積和帶寬的影響，用公式表示為

其中A為器件的有效面積，Δf為帶寬。D*的單位為cm·Hz1/2·W-1或Jones。

4 基于單一二維材料的光電探測(cè)器

與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，二維層狀半導(dǎo)體材料憑借其較大的表面積、原子級(jí)薄的厚度以及獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，在電學(xué)和光學(xué)器件的應(yīng)用方面都展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。近幾年來，出現(xiàn)了很多對(duì)基于二維材料的光電探測(cè)器的研究，研究結(jié)果顯示二維材料在光電探測(cè)器方面顯示出優(yōu)異的性能，并且不同的制造方法和結(jié)構(gòu)特征可能會(huì)導(dǎo)致探測(cè)性能的較大差異，以此可以作為提高光電探測(cè)器性能的方法。接下來將簡要敘述最近幾年的二維材料光電探測(cè)器的發(fā)展?fàn)顩r。

4.1 石墨烯光電探測(cè)器

由于石墨烯具有零帶隙，超高的載流子遷移率，并且在較大的能量范圍內(nèi)都能和光子產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，因此石墨烯常被用于高速、寬光譜光電探測(cè)器。

2009年，Xia等6利用單層和少層石墨烯設(shè)計(jì)了具有超快響應(yīng)速度的光電探測(cè)器。如圖3a所示，該光電探測(cè)器在光照頻率達(dá)到26 GHz時(shí)觀測(cè)到0.5 dB的衰減，并且該衰減不是由于器件本身，而是由于微波探針導(dǎo)致，由此推測(cè)該光電探測(cè)器能在超過500 GHz范圍內(nèi)工作，因此具有超寬帶寬。此外，該器件還具有較好的外量子效率、制作過程簡單等優(yōu)點(diǎn)。該課題組76還采用了叉指結(jié)構(gòu)的金屬/石墨烯/金屬結(jié)構(gòu)，如圖3b所示，分別用Pd和Ti做電極，使得能帶發(fā)生彎曲，改變了傳統(tǒng)石墨烯光電探測(cè)器中溝道的對(duì)稱電場(chǎng)，在波長為1.55 μm處獲得了6.1 mA·W-1的光響應(yīng)度，光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 GBit·s-1，實(shí)現(xiàn)了超高速光電探測(cè)，并且能在300 nm-6 μm波長范圍內(nèi)工作。接著，Urich等81測(cè)量了金屬/石墨烯/金屬結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器的本征響應(yīng)時(shí)間，解釋了石墨烯基光電探測(cè)器具有超高響應(yīng)速度的原因。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的本征響應(yīng)時(shí)間為2.1 ps，該時(shí)間與光生載流子的壽命短有關(guān)，對(duì)應(yīng)于262 GHz的帶寬，顯示了石墨烯基光電探測(cè)器在超高速光電探測(cè)領(lǐng)域的良好前景。Schall等77通過CVD的方法在硅光學(xué)波導(dǎo)上生長石墨烯層，如圖3c所示，也獲得了較大的的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸速率，達(dá)到50 GBit·s-1。

圖3 石墨烯光電探測(cè)器Fig. 3 The photodetectors based on Graphene.(a) Absolute a.c. photoresponse S21(f) as a function of light intensity modulation frequency up to 26 GHz with gate bias (VG) varying from -40 to 80 V 6.(b) Metal/graphene/metal (MGM) photodetectors with asymmetric metal contacts. Main panel: three-dimensional schematic of the MGM photodetector.Bottom right: scanning electron micrograph of the MGM photodetector 76. (c) Graphene photodetector integrated on a silicon waveguide with asymmetric contact configuration 77. (d) Measured photoresponsivity versus illumination power 78. (e) Photocurrent and photoresponsivity versus illumination power at the applied voltage of 5 V in the visible region (632 nm), (f) Photocurrent and photoresponsivity versus illumination power at the applied voltage of 5 V in the infrared region 79. (g-i) Time-dependent photocurrent measurements on the GNR-based FETs 80. Color online.

除了具有超快響應(yīng)速度之外，由于石墨烯的吸收光譜涵蓋從紫外光到遠(yuǎn)紅外光的范圍，因此石墨烯基光電探測(cè)器還能夠?qū)崿F(xiàn)寬光譜探測(cè)，但同時(shí)存在的問題是光響應(yīng)度較低。Novoselov等82利用量子點(diǎn)極大的提升了光響應(yīng)度至1 × 107A·W-1，但同時(shí)導(dǎo)致了光譜探測(cè)范圍的減小。為了解決這個(gè)問題，Liu等78設(shè)計(jì)了石墨烯/隧穿層/石墨烯的結(jié)構(gòu)，光生熱載流子在頂層石墨烯中產(chǎn)生，隧穿進(jìn)入底部石墨烯層，因此在柵極處積聚了大量的載流子，導(dǎo)致較強(qiáng)的光柵效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了從可見光到中紅外光的探測(cè)范圍，如圖3d所示，器件光響應(yīng)度超過1 A·W-1。通過改變隧穿層的材料，還可以進(jìn)一步提高光響應(yīng)度。Sun等83采用具有不同配位體的Cu3-xP納米晶體，在保證探測(cè)帶寬的基礎(chǔ)上提升了光響應(yīng)度。Cu3-xP納米晶體與石墨烯形成p-n結(jié)，產(chǎn)生了內(nèi)建電場(chǎng)，分離光生載流子，大大提高了光電流，在可見光(405 nm)下，光響應(yīng)度達(dá)到105A·W-1，光電導(dǎo)增益達(dá)到6.66 × 105，在紅外光(1550 nm)下光響應(yīng)度達(dá)到9.34 A·W-1。Chen等79通過CVD生長石墨烯和硅，得到了具有較高光響應(yīng)度和較寬光譜探測(cè)范圍的光電探測(cè)器。石墨烯不僅是傳輸溝道，也充當(dāng)光吸收層。如圖3e，f所示，室溫時(shí)，在可見光區(qū)域光響應(yīng)度可達(dá)到1.1 × 104A·W-1，在紅外光區(qū)域光響應(yīng)度可達(dá)到0.23 A·W-1。Yu等80在石墨烯納米帶上沉積HfO2層，探測(cè)波長范圍從可見光到中紅外光。由于HfO2層的介電常數(shù)大，能削弱載流子之間的庫侖相互作用，因此減少了載流子散射，提高了遷移率。如圖3g-i所示，與沒有沉積HfO2層的石墨烯光電探測(cè)器相比，光響應(yīng)度在可見光下提升約10倍，在中紅外光下提升約8倍。

4.2 過渡金屬二硫化物光電探測(cè)器

4.2.1 MoS2光電探測(cè)器

MoS2由于其對(duì)光良好的吸收率、可調(diào)節(jié)的能帶寬度(通過改變MoS2的層數(shù)可改變帶隙)等優(yōu)點(diǎn)，在光電探測(cè)方面得到了很大應(yīng)用。最近幾年，有很多工作致力于進(jìn)一步提高M(jìn)oS2光電探測(cè)器的性能。

通過改變材料的獲取方法來提升器件性能是最為常見的手段。Ling等84用磁控濺射合成的方法生長單層MoS2，這種光電探測(cè)器的性能與機(jī)械剝離得到的光電探測(cè)器相比具有很大提升，在850 nm波長的光照下，光響應(yīng)度能達(dá)到1.8 A·W-1，外量子效率超過260%，探測(cè)率約為5 × 108Jones。Han等85用CVD生長MoS2，用石墨烯代替金屬電極，在空氣中得到的探測(cè)率約為8.7 × 1014Jones，并且增加保護(hù)層能進(jìn)一步提高探測(cè)率。這一探測(cè)率相較于機(jī)械剝離得到的MoS2光電探測(cè)器高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，光響應(yīng)度和探測(cè)率都比用金屬作為電極的光電探測(cè)器高。

改變界面或表面態(tài)也是調(diào)節(jié)帶隙和實(shí)現(xiàn)寬帶光響應(yīng)的重要途徑之一。Pak等86通過ALD的方法在機(jī)械剝離得到的MoS2和金屬電極之間沉積TiO2，減少了MoS2和電極界面處的缺陷，如圖4a所示，提高了光響應(yīng)度和響應(yīng)速度。Kufer等46同樣利用了ALD，沉積HfO2層，使得MoS2與空氣隔離，使遲滯消失，并且減小了器件電阻，因此獲得了具有高光響應(yīng)度和響應(yīng)速度的光電探測(cè)器。在負(fù)柵壓下，比探測(cè)率超過7.7 × 1011Jones。Xie等87在半導(dǎo)體材料中引入有缺陷的原子晶格，通過控制原子晶格的缺陷，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了超寬帶多層MoS2光電探測(cè)器，工作范圍從445 nm (藍(lán)光)到2717 nm (中紅外光)，帶寬超過2000 nm，如圖4b所示，光響應(yīng)度和探測(cè)率的最大值分別達(dá)到50.7 mA·W-1和1.55 ×109Jones。

圖4 MoS2光電探測(cè)器Fig. 4 The photodetectors based on MoS2.(a) The normalized photoresponsivity of five devices of each type (bare MoS2 and TiO2/MoS2) 86. (b) Photoresponsivity and detectivity of the MoS2 photodetector as a function of excitation wavelengths 87. (c) Photoresponsivity as a function of the wavelength of pristine and R6G-sensitized MoS2 photodetectors, (d) Photodetectivity as a function of the wavelength of pristine and R6G-sensitized MoS2 photodetectors 88. (e) Photoresponsivity of the MoS2 phototransistor, showing high sensitivity 90. (f) Schematic of Ag SHINs/MoS2/Au hybrid nanostructures 91. Color online.

此外，還有很多行之有效的方法用于提升器件性能。Yu等88用有機(jī)染料羅丹明6G (R6G)對(duì)單層MoS2層進(jìn)行染料敏化處理，R6G能將吸收光后的產(chǎn)生載流子傳輸給MoS2層，使光電流提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此極大改善了MoS2光電探測(cè)器的性能。如圖4c，d所示，處理后的MoS2光電探測(cè)器光響應(yīng)度達(dá)到1.17 A·W-1，探測(cè)率達(dá)到1.5 × 107Jones，EQE達(dá)到280%，與未經(jīng)R6G處理的MoS2相比性能均有提升。在此基礎(chǔ)上，Kang等89利用3-氨丙基三乙氧基硅烷(aminopropyltriethoxysilane，APTES)對(duì)MoS2光電探測(cè)器進(jìn)行n型摻雜，進(jìn)一步提升了光電探測(cè)器的性能。在光照下，n型摻雜形成由兩個(gè)電子和一個(gè)空穴組成的帶負(fù)電的準(zhǔn)粒子，有效地減少了載流子間的復(fù)合；在低功率光照下，載流子散射被抑制，大大提高載流子遷移率(從28.75到142.2 cm2·V-1·s-1)，光響應(yīng)度提高了26.4倍(從219 A·W-1提高到5.75 × 103A·W-1)，探測(cè)率提高了24.5倍。這是由于暗電流不變，而光電流大大增加引起。當(dāng)激光功率很高(λ ＜ 670 nm)時(shí)，載流子發(fā)生直接躍遷的概率增加，光電探測(cè)器的性能得到更大的提升。Wang等90將鐵電聚合物薄膜聚亞乙烯基氟化物-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))引入到少層MoS2光電探測(cè)器中。MoS2作為溝道，P(VDF-TrFE)的剩余極化用來抑制溝道的暗電流。剩余極化能提供遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)MoS2FET中柵極偏壓的超高局部電場(chǎng)，因此MoS2溝道能保持完全耗盡狀態(tài)，增加了探測(cè)的靈敏度。如圖4e所示，最終獲得的光電探測(cè)器光響應(yīng)度能達(dá)到2570 A·W-1，探測(cè)率達(dá)到2.2× 1012Jones。并且，他們首次成功實(shí)現(xiàn)將鐵電極化MoS2光電探測(cè)器的探測(cè)范圍從可見光擴(kuò)展到近紅外光(0.85-1.55 μm)。Wu等91利用表面等離子體增強(qiáng)的方法提升光電探測(cè)器的性能。如圖4f所示，他們用SiO2殼包裹Ag納米顆粒，金作為金屬襯底放在納米顆粒下面，在納米顆粒和金之間幾納米的范圍內(nèi)能產(chǎn)生很大的電磁場(chǎng)，與單層MoS2發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，能提高材料的光吸收率。這種結(jié)構(gòu)的MoS2光電探測(cè)器的光致發(fā)光強(qiáng)度提升了110倍，光電流提高了880%，光響應(yīng)度達(dá)到287.5 A·W-1，這些性能均超過了之前報(bào)道的用等離子體增強(qiáng)的方法制作的單層MoS2光電探測(cè)器。

4.2.2 其他TMDs光電探測(cè)器

除了MoS2之外，還有很多TMDs例如WSe2、WS2、ReS2等也被廣泛應(yīng)用于光電器件。

圖5 其他TMDs光電探測(cè)器Fig. 5 The photodetectors based on other TMDs.(a) 3D schematic device structure of the metal/WSe2/metal (MSM)photodetectors with asymmetric contact geometries 92. (b) A schematic illustrating the layout of a typical WSe2 phototransistor 93. (c) 3D schematic view of the fabricated device with gold nanoparticles (AuNPs)embedded in the gate dielectric 94. (d) Schematic structure of ReS2 top-gate FET 95. (e) Photocurrent vs time for supported and suspended ReS2 devices for 10 kHz laser modulation 96. (f, g) Temporal photocurrent response for(f) FL(few-layer)-ReS2/ SiO2 and (g) FL-ReS2/h-BN devices 97.Color online.

Zhou等92采用不對(duì)稱的金屬/WSe2/金屬(MSM)結(jié)構(gòu)，如圖5a所示，左右兩邊的WSe2和金屬電極接觸長度不相等，因此在肖特基結(jié)處產(chǎn)生的短路電流不相等，即使在柵極電壓為零時(shí)也能產(chǎn)生光電流。該器件在零偏壓時(shí)開路電壓能達(dá)到0.42 V，光響應(yīng)度為2.31 A·W-1，探測(cè)率達(dá)到9.16 ×1011Jones，并且該器件暗電流極小，約為1 fA，解決了傳統(tǒng)MSM光電探測(cè)器中暗電流較大的問題。Wang等93在WSe2溝道和電極之間引入p型摻雜的WSe2，如圖5b所示，在源漏電極處形成歐姆接觸，減少了RC時(shí)間常數(shù)和載流子渡越時(shí)間，因此器件的光響應(yīng)度能達(dá)到600 mA·W-1，EQE達(dá)到100%，響應(yīng)時(shí)間小于8 μs，比探測(cè)率高達(dá)1013Jones，這一探測(cè)率和商業(yè)上的Si或者InGaAs光電探測(cè)器相當(dāng)甚至更高。

WS2和MoS2一樣具有可調(diào)節(jié)的能帶寬度，在1-2 eV之間，并且是一種雙極性二維材料，被廣泛應(yīng)用于光電器件。Yang等98利用WS2的雙極性制作了多層WS2肖特基晶體管，通過柵極電壓的調(diào)節(jié)可以使之成為p型或n型光電探測(cè)器，有兩種工作狀態(tài)。光響應(yīng)時(shí)間為40 ms，光響應(yīng)度為12.4 A·W-1，EQE達(dá)到2420%，探測(cè)率高達(dá)9.28 × 1011Jones。Gong等94設(shè)計(jì)了一種新型WS2器件結(jié)構(gòu)，如圖5c所示，從下至上依次為WS2層、HfO2層(隧穿層)、納米金顆粒(AuNPs，俘獲層)、HfO2層(阻擋層)、氧化銦錫(ITO，控制柵極)。柵極加正電壓時(shí)，WS2溝道的載流子隧穿之后被納米金顆粒俘獲，導(dǎo)致載流子耗盡，抑制了暗電流。此時(shí)光電流占主導(dǎo)，因此增大了光電流和暗電流的比值。該WS2器件具有超低暗電流，約為10-11A，光響應(yīng)度高達(dá)1090 A·W-1，探測(cè)率高達(dá)3.5 × 1011Jones。

ReS2作為一種新型的過渡金屬二硫化物，具有很多不同于其他TMDs的獨(dú)特性質(zhì)。一般來說，大部分TMDs在單層時(shí)為直接帶隙半導(dǎo)體，多層時(shí)變成間接帶隙半導(dǎo)體，因此應(yīng)用于光電器件時(shí)會(huì)受到材料層數(shù)的限制，同時(shí)也減少了對(duì)光的吸收。ReS2晶體為1T結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出不對(duì)稱性，導(dǎo)致層間作用力弱，當(dāng)層數(shù)增加時(shí)，其帶隙會(huì)改變，但無論是單層還是多層結(jié)構(gòu)，ReS2均為直接帶隙半導(dǎo)體。此外，ReS2晶體還具有各向異性，導(dǎo)致了其電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)的各向異性。這些特點(diǎn)都使得ReS2在光電探測(cè)器的應(yīng)用上有很好的發(fā)展前景。Zhang等95用具有高介電常數(shù)的Al2O3為介質(zhì)層，制備了頂柵ReS2光電探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)如圖5d所示，光響應(yīng)度高達(dá)16.14 A·W-1，EQE為3168%，表現(xiàn)出的器件性能同報(bào)道的石墨烯、MoSe2以及GaS基光電探測(cè)器的性能相當(dāng)。Thakar等96設(shè)計(jì)了兩種ReS2光電探測(cè)器，一種ReS2和SiO2直接接觸，另一種ReS2懸掛在SiO2上。盡管后者柵電容的減小會(huì)導(dǎo)致柵極調(diào)控能力的削弱，但界面缺陷的減少使之能達(dá)到和前者相同的響應(yīng)速度。通過調(diào)節(jié)柵極電壓，兩種結(jié)構(gòu)的器件均能達(dá)到約4 A·W-1的光響應(yīng)度，如圖5e所示，響應(yīng)時(shí)間最短能達(dá)到20 μs，是目前為止速度最快的光電探測(cè)器之一。如果不考慮測(cè)量設(shè)備的限制，響應(yīng)時(shí)間能更短。An等99首次利用CVD的方法成功合成了ReS2納米帶的結(jié)構(gòu)，得到了高性能的光電探測(cè)器，光響應(yīng)度達(dá)到5.08 × 105A·W-1，最大EQE為1.07 × 106%，最大比探測(cè)率為6.1 × 1015Jones。Nazir等97用h-BN代替SiO2襯底，并且在頂部再轉(zhuǎn)移一層h-BN，增大了載流子的遷移率，降低了肖特基勢(shì)壘高度和襯底的陷阱密度，因此獲得的器件性能更好。如圖5f，g所示，與SiO2襯底器件相比，器件的響應(yīng)時(shí)間變短，光響應(yīng)度和EQE提高了約5倍。

4.3 黑磷光電探測(cè)器

和石墨烯一樣，BP也是一種單元素二維材料，表現(xiàn)出雙極性，直接帶隙，并且載流子遷移率高，具有各向異性。這些獨(dú)特性質(zhì)使得BP在新型光電探測(cè)器中得到廣泛應(yīng)用。

Liu等102設(shè)計(jì)了BP/Au肖特基型光電探測(cè)器，在外加偏壓和光照下，勢(shì)壘高度減小，導(dǎo)致光電流增大，該器件的工作范圍從可見光(635 nm)到紅外光(1550 nm)，在1550 nm光照下光響應(yīng)度達(dá)到230 A·W-1，響應(yīng)時(shí)間為4.8-6.8 ms。Hou等103研究了BP的厚度對(duì)器件性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，隨著BP厚度的增加，光電流先增大后減小。這是由于當(dāng)BP厚度較小(＜ 10 nm)時(shí)，屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致了光電流密度很小；隨著厚度增加電流增大，當(dāng)厚度達(dá)到最佳(47 nm)時(shí)，光電流密度有最大值；繼續(xù)增加厚度，BP載流子遷移率減小，導(dǎo)致光電流密度減小。因此適當(dāng)增加BP厚度有利于提升器件性能。在中紅外光下，較厚的BP光電探測(cè)器的光響應(yīng)度達(dá)到2.42 A·W-1，響應(yīng)時(shí)間約為2.5 ms，但與少層BP器件相比，探測(cè)率會(huì)有所下降。Xiong等104設(shè)計(jì)了以HfLaO作為襯底的光電探測(cè)器，改善了介質(zhì)和BP之間的界面態(tài)，極大的提升了器件性能，光響應(yīng)度高達(dá)1.5 × 108A·W-1，響應(yīng)時(shí)間為10 μs，在70 K的溫度下探測(cè)范圍為514-1800 nm。Chen等100利用h-BN/BP/h-BN的結(jié)構(gòu)增大了器件的可探測(cè)波長。如圖6a所示，在77 K溫度下，入射光波長分別為3.4、5、7.7 μm時(shí)，器件的光響應(yīng)度分別為518、30、2.2 mA·W-1，相比大部分工作波長范圍局限在納米量級(jí)的器件有著很大的優(yōu)勢(shì)。

Kang等101研究了摻雜對(duì)BP器件性能的影響。他們分別利用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和十八烷基三氯硅烷(OTS)對(duì)BP進(jìn)行n型和p型摻雜，如圖6b，c所示，BP厚度為2 nm時(shí)，n型摻雜的光電探測(cè)器光響應(yīng)度下降了16% (520 nm)和9% (850 nm)，p型摻雜的光電探測(cè)器光響應(yīng)度增大了40%(520 nm)和20% (850 nm)。此外，他們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)BP厚度更薄時(shí)，摻雜對(duì)器件性能的改變更明顯。通過摻雜的方法，獲得了高性能OTS摻雜的10 nm厚度BP光電探測(cè)器，在520 nm波長的光照下，光響應(yīng)度達(dá)到1.4 × 104A·W-1，比目前的TMDs光電探測(cè)器都要高。

圖6 黑磷光電探測(cè)器Fig. 6 The photodetectors based on BP.(a) Photo-responsivity as a function of source-drain bias at charge-neutrality points 100. (b, c) The photoresponsivity ratio (RSAL/Rcontrol) values as a function of the laser wavelength, which were extracted from APTES- and OTS-doped (b) 10 nm- and (c) 2 nm-thick BP photodetectors 101. Color online.

5 基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器

對(duì)比二維材料構(gòu)成的簡單的光電導(dǎo)以及光電晶體管探測(cè)器，異質(zhì)結(jié)更多的利用光生伏特效應(yīng)，即使在零偏壓下也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光信號(hào)的探測(cè)。這些器件不僅表現(xiàn)出高度的可集成性，而且性能優(yōu)異。通過將不同的二維材料堆疊構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，可進(jìn)一步研究相鄰層狀之間激發(fā)的電子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。隨著各種二維材料剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)的成熟105,106，層狀異質(zhì)結(jié)在新型電子和光電子器件的應(yīng)用也逐漸增加。

5.1 石墨烯與TMDs構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)

由于石墨烯表現(xiàn)為半金屬特性，而且具有較大的光譜吸收范圍，故可用于電子和光電子器件中的透明電極。通過與半導(dǎo)體TMDs雜化，石墨烯表現(xiàn)為范德瓦爾斯金屬/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中不可或缺的組成部分?？紤]到半導(dǎo)體TMDs的帶隙寬度較大，無帶隙結(jié)構(gòu)的石墨烯也可用于拓寬TMDs探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍。另外，由于石墨烯具有極高的電子遷移率，其經(jīng)常用于異質(zhì)結(jié)中載流子的傳輸。接下來我們介紹各種石墨烯/TMDs結(jié)構(gòu)在光電探測(cè)器中的應(yīng)用。利用石墨烯基范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)，Liu等107采用CVD合成以及干法轉(zhuǎn)移的方法實(shí)現(xiàn)了超快響應(yīng)、性能穩(wěn)定的石墨烯/BP紅外波長的光電探測(cè)器。器件結(jié)構(gòu)如圖7a所示，其中頂層的石墨烯既為封裝層也為高效率的載流子傳輸層。光照下，BP活性層中的光生載流子分離并注入到石墨烯單層，大大降低了金屬與BP間的肖特基勢(shì)壘，提高了有效光電流的產(chǎn)生。器件表現(xiàn)出對(duì)近紅外波長(1550 nm)光照敏感的高光響應(yīng)度(3.3 × 103A·W-1)，對(duì)應(yīng)的光響應(yīng)圖譜如圖7b所示，探測(cè)器的光電導(dǎo)增益達(dá)到1.13 × 109，具有41 fs的超快電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間。采用同樣的結(jié)構(gòu)，Liu等99制備的石墨烯/WTe2縱向異質(zhì)結(jié)，最終在650 nm光照下的最大光響應(yīng)度約為8.7 A·W-1，對(duì)應(yīng)的外量子效率高達(dá)165%，比文獻(xiàn)76,110-112報(bào)道的單純的石墨烯探測(cè)器高兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，首次說明了基于全/半金屬結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)能夠明顯提高光電流的產(chǎn)生。將圖7a結(jié)構(gòu)中的BP活性層替換為MoTe2，Yu等113同樣獲得高效的近紅外探測(cè)器，對(duì)應(yīng)的探測(cè)率和光電導(dǎo)增益分別為1.55 × 1011Jones和4.69 × 108。

圖7 石墨烯異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器Fig. 7 The photodetectors based on Graphene/TMDs heterostructures.(a) Schematic description of the graphene/BP device, (b) Photoresponsivity of the device with different thickness at various illumination power intensities 107.(c) Schematic description of the graphene/WSe2 heterostructure 108. (d) Schematic description of the graphene/MoS2/graphene heterostructure, (e) Ids-Vds characteristics of the device as various gate bias, Inset: variation of Isc and Voc with VBG, (f) Excitation laser power-dependent EQE of the device under various excitation wavelengths 109. Color online.

除此之外，石墨烯與單層的TMDs都具有較高的光吸收系數(shù)，也可用于異質(zhì)結(jié)中的光活性層。Gao等108通過研究石墨烯/WSe2異質(zhì)結(jié)器件的電學(xué)傳輸特性，器件結(jié)構(gòu)如圖7c所示，發(fā)現(xiàn)其整流與極化的方向受柵壓所調(diào)控，當(dāng)柵壓從60 V掃描至-60 V時(shí)，對(duì)應(yīng)的整流比從103逐漸變?yōu)?0-3。器件最終在零偏壓表現(xiàn)出66.2 mA·W-1的光響應(yīng)度；當(dāng)偏壓增加至1 V時(shí)，外量子效率高達(dá)800%，從實(shí)驗(yàn)上印證了石墨烯/TMDs良好的光吸收特性。Long等114在MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)間插入石墨烯層，利用石墨烯的寬頻帶響應(yīng)，大大增加了器件的光譜響應(yīng)范圍(從可見光到短波紅外)，而且器件在近紅外區(qū)域的探測(cè)率提高至1011Jones。

由于石墨烯具有良好的載流子傳輸特性，通過外加電場(chǎng)調(diào)控縱向堆疊的石墨烯/MoS2/石墨烯能帶結(jié)構(gòu)，Yu等109成功實(shí)現(xiàn)了最大外量子效率和內(nèi)量子效率分別為55%和85%的光電探測(cè)器，器件結(jié)構(gòu)如圖7d所示。其對(duì)應(yīng)的電學(xué)特性曲線如圖7e所示，可以看出，黑暗條件下的Ids-Vds曲線都通過原點(diǎn)，說明沒有柵極漏電流的產(chǎn)生，光照下一系列的Ids-Vds曲線表明，短路電流Isc和開路電壓Voc可以通過VBG輕松調(diào)制，而且隨著VBG的減小，Isc和Voc都增加。另外器件在入射光功率低于10 W時(shí)表現(xiàn)出飽和吸收特性，如圖7f所示，主要是因?yàn)镸oS2的光吸收逐漸達(dá)到飽和以及其導(dǎo)帶中的電子對(duì)內(nèi)建電場(chǎng)的屏蔽所導(dǎo)致，而且光電探測(cè)器對(duì)488 nm波長的光表現(xiàn)出更高的敏感度。Britnell等115以石墨烯為頂部和底部電極，BN為襯底和封裝層，制備出了h-BN/Gr/WS2/Gr/hBN結(jié)構(gòu)的器件。無光照情況下，由于頂部石墨烯暴露于高濃度的水蒸氣中呈現(xiàn)為p型摻雜，使得曲線表現(xiàn)為非線性。光照下，TMDs層吸收光子后激發(fā)產(chǎn)生載流子，但由于沒有電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，光生載流子無特定的擴(kuò)散方向，因此觀察不到明顯的光電流；施加?xùn)艍汉?，產(chǎn)生載流子分離的內(nèi)建電場(chǎng)，光電流明顯增加，電流的數(shù)值和方向是受柵電壓所調(diào)控的。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大外量子效率為30%，而且通過集成等離子體金屬納米結(jié)構(gòu)可提升十倍的光電流。為實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)的光響應(yīng)水平，Massicotte等116采用類似于圖7d中的結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化TMDs層的厚度以及施加的柵壓，最終實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)時(shí)間為5.5 ps的石墨烯/WSe2/石墨烯結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，其中上下兩層石墨烯的加入，不僅沒有影響異質(zhì)結(jié)的光響應(yīng)時(shí)間特性，反而拓寬了器件的光吸收范圍。Zhang等117利用石墨烯與MoTe2間形成的肖特基勢(shì)壘，制備出零偏壓下工作的石墨烯/MoTe2/石墨烯結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，器件的光響應(yīng)度同樣受柵壓和MoTe2厚度的調(diào)控，表現(xiàn)為超敏感的近紅外光電探測(cè)器。

5.2 不同TMDs構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)

上一節(jié)我們主要介紹了石墨烯基異質(zhì)結(jié)在光電探測(cè)器中的應(yīng)用，接下來我們將談?wù)摬煌琓MDs構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的光電性能，通常包括縱向異質(zhì)結(jié)與橫向異質(zhì)結(jié)兩大類，其中縱向異質(zhì)結(jié)可以通過轉(zhuǎn)移或者直接合成來實(shí)現(xiàn)，但面內(nèi)的橫向異質(zhì)結(jié)只能通過外延生長的方法所構(gòu)成。目前，光電子異質(zhì)結(jié)器件中最常用的為第二型能帶對(duì)準(zhǔn)，其構(gòu)成的內(nèi)建電場(chǎng)可有效地分離光生電子空穴。而且，利用靜電作用調(diào)控載流子的濃度以及能帶結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)光電器件的多功能化。

通過轉(zhuǎn)移將不同的TMDs層狀材料堆疊是目前較為理想的異質(zhì)結(jié)構(gòu)建方法。其能帶結(jié)構(gòu)可通過理論計(jì)算或者采用光致發(fā)光圖譜來驗(yàn)證，例如目前已經(jīng)應(yīng)用在MoS2/WSe2、MoS2/WS2和MoSe2/WSe2等異質(zhì)結(jié)118-120當(dāng)中。另外，無論是機(jī)械剝離還是CVD制備的光電探測(cè)器樣品121-124中都存在光致發(fā)光和拉曼光譜的偏移，說明超薄異質(zhì)結(jié)中兩個(gè)單一原子層存在較強(qiáng)的層間耦合。Chen等125通過微機(jī)械剝離和轉(zhuǎn)移構(gòu)建了MoTe2/MoS2二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)，圖8a為其結(jié)構(gòu)示意圖。其中MoTe2與MoS2間構(gòu)成p-n型異質(zhì)結(jié)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的整流比約為80。探測(cè)器在黑暗和光照下的Ids-Vds曲線如圖8b所示，可以看出，電壓反偏時(shí)，光電流占主導(dǎo)作用；正偏時(shí)，光電流較小，偏置電流占主導(dǎo)，零偏壓下的電流即為光電流。由于p-n結(jié)的形成，使得器件具有超低的暗電流(3 pA)，對(duì)應(yīng)的光響應(yīng)度為43.6 mA·W-1。為增強(qiáng)光生載流子的收集，Lee等126采用石墨烯層夾蓋p-n型異質(zhì)結(jié)的方法，制備出如圖8c所示的光電探測(cè)器。異質(zhì)結(jié)的二極管整流特性可通過柵壓改變，在p-n結(jié)界面表現(xiàn)出光生伏特效應(yīng)，由于多數(shù)載流子參與了隧穿輔助的界面電子空穴復(fù)合，使得器件的光電性能受柵壓調(diào)控。Deng等127利用具有窄帶隙和高電子遷移率的p型BP與n型MoS2構(gòu)建p-n型異質(zhì)結(jié)，同樣制備出了受柵壓調(diào)控的寬頻帶光電探測(cè)器，器件的輸出特性受柵壓調(diào)控，如圖8d所示，其在633 nm波長下的光響應(yīng)度(418 mA·W-1)比報(bào)道的純黑磷探測(cè)器高約100倍，對(duì)應(yīng)的外量子效率為0.3%。除了構(gòu)成p-n結(jié)外，Ye等129以BP為光活性層、WSe2為溝道，制備出了縱向光柵結(jié)構(gòu)的BP/WSe2的寬頻帶光電探測(cè)器，室溫下的可見光和紅外光的探測(cè)率分別達(dá)到1014和1010Jones，而且由于BP本征的線性二色性以及異質(zhì)結(jié)重疊區(qū)域的邊緣方向影響，器件表現(xiàn)為比較敏感的的極化紅外光照探測(cè)。通過能帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，Murali等130制備了空穴量子阱結(jié)構(gòu)的ITO/WSe2/SnSe2光電探測(cè)器，使得電子的轉(zhuǎn)移速度快，器件的光響應(yīng)度超過1100 A·W-1，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間為10 μs，而且由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在，器件在零偏壓下可以自供電。

圖8 TMDs異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器Fig. 8 The photodetectors based on TMDs/TMDs heterostructures.(a) Schematic description of MoTe2/MoS2, (b) The Ids-Vds curves of the device in darkness and under illumination 125. (c) Schematic description of MoS2/WSe2 heterostructure between graphene eletrodes 126. (d) Gate tunable I-V characteristics of the BP/MoS2 heterostructure 127. (e) Schematic description of multi-electrode WSe2/SnS2 heterostructure, (f) The Ids-Vds curves of parallel-mode device at various gate voltage 128. Color online.

一般而言，相較于轉(zhuǎn)移堆疊而成的異質(zhì)結(jié)，通過CVD所制備的器件的電學(xué)和光電特性更差。Zhou等131在兩步CVD制備的單層MoS2上外延生長出SnSe2薄膜，由于異質(zhì)結(jié)具有較高的結(jié)晶對(duì)稱性以及較強(qiáng)的層間耦合，載流子在層間能迅速轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)證明器件的光響應(yīng)度為9.1 × 103A·W-1，正是由于在MoS2與WSe2界面的有效電荷轉(zhuǎn)移，這種范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)比單純的MoS2光電探測(cè)器的光響應(yīng)度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。采用同樣的薄膜合成方法，Yang等128制備了斷裂能帶結(jié)構(gòu)的WSe2/SnS2縱向雙層異質(zhì)結(jié)。由于異質(zhì)結(jié)中WSe2的價(jià)帶高于SnS2的導(dǎo)帶，使得光生載流子分離后抑制了它們的復(fù)合，從而產(chǎn)生光致發(fā)光的淬滅現(xiàn)象。為討論器件的電荷傳輸以及光電特性，作者設(shè)計(jì)了多電極的背柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，如圖8e所示。通過測(cè)量不同電極間異質(zhì)結(jié)的轉(zhuǎn)移特性，器件表現(xiàn)為三種不同的工作模式：原始的WSe2模式、WSe2/SnS2并聯(lián)模式以及WSe2/SnS2串并模式，其中串并模式中表現(xiàn)為p型主導(dǎo)的低漏電流特性，對(duì)應(yīng)107的最高電流開關(guān)比。串并模式的WSe2/SnS2異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器不同背柵電壓的輸出特性曲線如圖8f所示，隨著柵壓的增大，WSe2費(fèi)米能級(jí)逐漸下降，使得內(nèi)建電勢(shì)減小，對(duì)應(yīng)的更小的開路電壓Voc；另一方面，光照雖然增加了載流子濃度，但柵壓同時(shí)縮短了載流子的平均壽命，因此短路電流Isc變化不大。實(shí)驗(yàn)測(cè)得器件的最大光響應(yīng)度和探測(cè)率分別為108.7 mA·W-1和4.71 × 1010Jones，光響應(yīng)時(shí)間達(dá)到500 μs，相較于文獻(xiàn)所報(bào)道的直接生長的縱向異質(zhì)結(jié)探測(cè)器，其探測(cè)性能具有全面的提升，甚至優(yōu)于部分轉(zhuǎn)移堆疊而成的異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器。

TMDs的二維結(jié)構(gòu)特性給構(gòu)建原子層薄的面內(nèi)橫向異質(zhì)結(jié)提供了一定的可能性，這種異質(zhì)結(jié)界面的無縫銜接會(huì)產(chǎn)生一種特殊的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)以及較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，因此可應(yīng)用于光電探測(cè)領(lǐng)域，但其制備工藝較為復(fù)雜，且生長方向趨于合金化，大大限制了它的發(fā)展。Huang等132使用MoSe2和WSe2粉末作反應(yīng)為源，采用低壓物理氣相沉積法制備了這樣的面內(nèi)橫向異質(zhì)結(jié)，這種結(jié)構(gòu)在幾個(gè)晶格常數(shù)的范圍內(nèi)表現(xiàn)出高度結(jié)晶性和有限二元合金WxMo1-xSe2界面。

5.3 TMDs與三維半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)

由于二維材料的堆疊需要復(fù)雜的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)以及電極的制備對(duì)光刻工藝的精準(zhǔn)性要求較高133,134，使得生產(chǎn)晶圓規(guī)模的二維高性能器件仍然具有較大的挑戰(zhàn)性。因此，可采用摻雜的Si、無定形的氧化物或者III-V化合物半導(dǎo)體作為襯底，與TMDs層狀材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，利用兼容的CMOS工藝生產(chǎn)大面積的器件。

目前通過TMDs與半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)在光電探測(cè)器領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛。Chowdhury等135采用化學(xué)剝離的方法首次制備出p-WS2/n-Si異質(zhì)結(jié)，圖9a為其結(jié)構(gòu)示意圖。器件表現(xiàn)出完美的整流特性以及較小的理想因子，黑暗條件下，異質(zhì)結(jié)的整流比約為5000，說明n-Si與p-WS2成功形成突變結(jié)，產(chǎn)生較低的暗電流(10-10A)。另外，異質(zhì)結(jié)在632 nm光照下的響應(yīng)度峰值為1.11 A·W-1，如圖9b所示，對(duì)應(yīng)的外量子效率為116%，這主要得益于WS2與體材料Si之間形成了第二型能帶結(jié)構(gòu)的突變異質(zhì)結(jié)，使得光激發(fā)載流子能夠在內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下有效分離。Mukherjee等136將液相超聲剝離得到的MoS2旋涂在1 cm × 1 cm的p型硅襯底上，構(gòu)成MoS2/Si縱向p-n結(jié)，器件表現(xiàn)出的整流特性良好，頻率高達(dá)600 kHz。通過器件的長時(shí)間電流瞬態(tài)響應(yīng)，可以看出其具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，說明暴露于空氣中的MoS2的性質(zhì)足夠穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)得異質(zhì)結(jié)在514 nm光照下的光響應(yīng)度為470 mA·W-1，而且在10-300 K的溫度范圍內(nèi)都具有較好的穩(wěn)定性，通過與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容，非常有潛力應(yīng)用于未來的電子和光電集成電路。通過在Si襯底上沉積具有垂直層狀結(jié)構(gòu)的MoSe2薄膜，Mao等139構(gòu)造了高性能的Gr/MoSe2/Si異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器。垂直結(jié)構(gòu)的MoSe2薄膜具有更強(qiáng)的光吸收能力，而且異質(zhì)結(jié)中存在較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)和較短的載流子傳輸時(shí)間，使得二維層狀材料/硅異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器在高靈敏度和超快響應(yīng)速度方面可以超越傳統(tǒng)的MoSe2光電探測(cè)器。從MoSe2/Si異質(zhì)結(jié)的吸收光譜可以看出，與裸Si襯底相比，MoSe2膜在短波長方向(＜ 800 nm)和長波長方向(＞ 1060 nm)具有更強(qiáng)的光吸收。因此，MoSe2薄膜與Si襯底異質(zhì)結(jié)的形成，拓寬了光電探測(cè)器的光譜范圍，使得器件能夠吸收紫外光，可見光以及近紅外光。

圖9 不同維度異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器Fig. 9 The photodetectors based on TMDs/3D heterostructures.Schematic description of p-WS2/n-Si heterostructure, (b) The Spectral responsivity of the p-WS2/n-Si device at various bias voltage 135.(c) Schematic description of the graphene/silicon-heterostructure photodiode 137. (d) The Spectral responsivity of the device over a wavelength range from 1450 to 1590 nm at zero bias 138. Color online.

TMDs除了與三維半導(dǎo)體形成p-n結(jié)外，還可以用硅作為光學(xué)波導(dǎo)，提高器件的探測(cè)性能。Wang等137在硅基光學(xué)波導(dǎo)上集成石墨烯，制備出石墨烯/硅光電二極管，異質(zhì)結(jié)的波長響應(yīng)范圍為近紅外到中紅外，其器件結(jié)構(gòu)如圖9c所示。由于光學(xué)波導(dǎo)能夠吸收平行于石墨烯薄層傳播的消逝光，使得器件在1.5 V偏壓下對(duì)2.75 μm波長光波的響應(yīng)度達(dá)到0.13 A·W-1。同樣采用波導(dǎo)集成的石墨烯結(jié)構(gòu)，Pospischil等140實(shí)現(xiàn)了可與CMOS工藝兼容的超寬頻光電探測(cè)器，能夠在所有光纖通信的頻段上實(shí)現(xiàn)數(shù)千兆赫茲的運(yùn)算操作，同時(shí)，由于石墨烯與金屬接觸的界面存在內(nèi)建電場(chǎng)，探測(cè)器能夠在零偏壓的條件下正常運(yùn)作，器件的最終功耗也較低。采用金屬摻雜的石墨烯結(jié)與光學(xué)波導(dǎo)耦合，Gan等138成功制備了高光響應(yīng)度和寬頻帶的石墨烯光電探測(cè)器，其光響應(yīng)度超過0.1 A·W-1，而且器件在零偏壓下對(duì)波長在1450到1590 nm范圍內(nèi)的光具有均勻的吸收，如圖9d所示，同時(shí)器件的響應(yīng)速度超過20 GHz。這種基于光波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器結(jié)合了零偏壓運(yùn)作、響應(yīng)速度快以及寬頻帶探測(cè)的綜合優(yōu)勢(shì)，為高性能的、CMOS工藝兼容的石墨烯光電器件在集成電路中的應(yīng)用打開了大門。

6 總結(jié)與展望

本文介紹了幾種主要的二維材料及其制備方法，總結(jié)了二維材料及其范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)在光電探測(cè)器領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。自2004年石墨烯被首次發(fā)現(xiàn)以來，二維材料家族不斷得到擴(kuò)充，其優(yōu)異的特性也逐漸被發(fā)現(xiàn)并廣泛的應(yīng)用到新型器件當(dāng)中。

盡管最近幾年關(guān)于二維材料的研究不斷取得突破，由其制備的光電探測(cè)器的性能也不斷提升，但仍然存在著一些亟待解決的問題。值得注意的是目前大部分二維材料都是通過微機(jī)械剝離的方法所獲得，這種方法雖然能獲得高質(zhì)量的二維材料薄膜，但無法進(jìn)行大面積生產(chǎn)，因此還難以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中；隨著二維材料厚度的增加，器件對(duì)光的吸收率也增加，但同時(shí)會(huì)使得大部分二維材料由直接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙半導(dǎo)體，反而削弱了其對(duì)光的吸收；難以獲得同時(shí)具有高光響應(yīng)度和高響應(yīng)速度的器件是目前急需解決的另一大問題；如何提高二維材料器件的穩(wěn)定性同樣值得被關(guān)注。

為解決以上難題，未來可從以下幾個(gè)方面入手：積極尋找新材料、發(fā)現(xiàn)新特性、設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的器件；改善材料的合成方法，實(shí)現(xiàn)一種能夠均勻制造高質(zhì)量二維材料薄膜的低成本、可大面積推廣的方法；采用表面封裝或摻雜、改性等手段進(jìn)一步提高光電探測(cè)器的性能?？傮w來說，二維材料光電探測(cè)器在未來具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。