上海技物所在低维材料红外探测器件研究中取得进展

  维数比三小的叫低维材料,具体来说包括二维、 一维和零维材料。由于这些材料晶体结构的特异性,故而许多低维度材料有非常奇特的物理现象,如材料中的电子被限制在一维的线性链或二维的平面上做传输,因而他们的导电性会在某一(或二)晶格方向特别好,而在其他方向导电性明显较差。
  低维材料凭借不同寻常的优异光电特性引起了科研界广泛的研究兴趣,有望成为高性能探测器件的光敏材料。如今,最常见的低维材料光电探测器件结构就是金属-低维材料-金属的结构。金属-低维材料-金属的器件结构简单,不影响材料本身的优异特性,而且便于和不同的系统集成。
  但这种器件有两个主要问题,其一,在均匀的泛光照射下低维材料与两端金属的接触结产生大小相近、方向相反的光电流;两者互相抵消,使器件没有净的光响应。采用异种金属电极是一般的解决方案,但是制备异种金属电极通常需要额外的工艺步骤,增加了制备复杂性,以及低维材料被污染、损坏的可能性。其二,低维材料尺度与光波长有较大差距,严重制约了光吸收效率,特别是低维材料与金属接触结的光吸收。
  为解决这一难题,中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室周靖、陈效双和陆卫研究员团队提出了等离激元纳米谐振腔非对称集成的金属-低维材料-金属器件,并对其红外光响应进行了研究。
  近日,上海技物所研究员团队提出了等离激元纳米谐振腔非对称集成的石墨烯红外探测器件,揭示了该复合结构器件高对比度非对称光耦合的原理,验证了基于非对称光耦合突破金属-低维材料-金属探测结构的两大瓶颈问题,实现了泛光照射下显著的自驱动光响应,超越常规的等离激元耦合光栅1个量级。以最常见的石墨烯为例,研究组把等离激元纳米谐振腔与金属-石墨烯-金属的光探测结构进行非对称集成,实现两端石墨烯-电极交界处光响应105倍的差距,以及泛光照射下器件整体的显著净响应。
  该研究成果将对我国金属-低维材料-金属器件的研究和利用起到推进作用,或还有利于我国进一步开发利用低维材料。