近日，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达、苗金水团队与北京大学彭海琳团队互助，提出将动量匹配和能带匹配（能动量匹配）的范德华异质结应用于红外探测，效果表明该器件计划可明显进步二维质料红外探测器量子效率，为研制高量子效率红外探测器提供了新方法。相关研究结果以Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection为题，发表在《科学进展》（Science Advances）上。
窄禁带二维半导体具有层间范德华力恣意堆叠成异质结构、无表面悬挂键、暗电流极易被外场操控等优点，为研制室温、高敏捷红外探测器提供了新机会。然而，二维半导体原子级薄层特性限定了其高量子效率红外探测器的应用。本研究创新性地将新型能动量匹配范德华异质结应用于红外探测器技术。研究表现，二维半导体Black phosphorus（BP）的价带顶和Bi2O2Se的导带底位于布里渊区的Γ点（图1a），光生载流子在界面处能直接跃迁到BP和Bi2O2Se的导带，进步了光生载流子的跃迁几率和产生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ类能带结构（图1b），进而进步了光生载流子的网络效率。本研究制备的能动量匹配BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了与传统质料红外探测器相比拟的量子效率，在1.3 μm时量子效率到达84%，在2 μm时量子效率到达76.5%（图1c）。此外，该BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了较高的偏振特性，在短波红外波段偏振比到达17（图1d）。
研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院、上海市自然科学基金的支持。
动量匹配与能带匹配的范德华红外探测器：a、动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结能谷结构表现图；b、能带匹配的BP/Bi2O2Se异质结能带结构表现图；c、能动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结红外探测器的量子效率；d、能动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结红外探测器的偏振特性。
泉源：中国科学院上海技术物理研究所
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