基于黑磷/石墨烯异质结的高响应度、长寿命、宽光谱光探测器研究

Research on graphene based photodetectors has drawn substantial attention due to ultrafast and broadband photoresponse of graphene. However, the low responsivity of intrinsic graphene-based photodetectors is a potential drawback. Though coupling graphene with two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDCs) can greatly improve the device performance in terms of responsivity, they restrict photodetection to narrow spectral bandwidth. Recently, a novel 2D material, black phosphorus (BP), has emerged as a potential candidate for broadband and ultrafast photodetector applications. However, one of the key limitations for using BP has been its severe degradation under ambient exposure. In this project, we propose a novel BP-graphene heterostructure photodetector by shielding BP with graphene to prevent the degradation of BP, with the aim to improve the long term stability of the device under ambient exposure. The band diagram and mechanism of photocurrent generation in BP-graphene heterostructure will be systematically investigated. The outcome of this project will not only bridge the advantages of graphene and BP in terms of broadband absorption, high carrier mobility and high stability under ambient exposure, but also pave the way for developing high performance broadband photodetectors from the visible to telecommunication band range with ultrahigh responsivity and long lifetime.

石墨烯类二维材料在宽光谱光探测方面具有超越传统半导体探测器的显著优势。然而，本征石墨烯的零带隙结构导致器件的光响应度很低，不利于实现高灵敏度探测。尽管采用石墨烯/二维过渡金属硫化物异质结可以显著提高器件的光响应度，但是二维过渡金属硫化物较宽的能带带隙导致器件的探测光谱范围主要集中在可见光波段，制约了其在光通信波段的应用。近来，二维黑磷以介于石墨烯和过渡金属硫化物之间的窄带隙和高的载流子迁移率, 在可见光到光通信波段光探测方面显示出突出的优势。然而，黑磷在空气中的快速退化严重制约了它的应用。本项目拟分别结合石墨烯和二维黑磷在光探测方面的优势，制备基于黑磷/石墨烯异质结的新型光探测器，利用石墨烯保护黑磷提升器件在空气中的稳定性，并系统研究和调控黑磷/石墨烯异质结内部的能带结构,揭示在光照下光生载流子的跃迁和输运机制, 最终实现从可见光到光通信波段均具有高响应度和长寿命的光探测器件。

石墨烯在宽光谱光探测方面具有超越传统半导体光探测器的显著优势。然而，本征石墨烯的零带隙结构导致器件的光响应度很低，不利于实现高灵敏度探测。二维黑磷兼具直接窄带隙和高的载流子迁移率的特点,在快速、宽光谱尤其是红外波段光探测方面显示出突出的优势。然而，黑磷极易被空气中的水、氧侵蚀，在空气中的快速退化已经成为目前制约其应用的一个重要瓶颈。因此，如何有效地保护黑磷，提升黑磷基红外光探测器的稳定性具有重要的意义。本项目结合了石墨烯和二维黑磷在光探测方面的优势，在红外波段实现了具有超高响应度和长期的稳定性的光探测。项目提出了一种石墨烯/黑磷异质结光探测器，一方面，顶层的石墨烯不仅作为封装层，保护黑磷免受水氧侵蚀，提升器件在空气中的稳定性，解决目前制约二维黑磷应用的稳定性问题。另一方面，石墨烯还作为高效的载流子传输层。在光照条件下，黑磷中产生的光生电子空穴对分离并注入石墨烯，显著降低有源区与金属电极之间的肖特基势垒，实现高效的光电流提取，弥补石墨烯零带隙结构导致的光生载流子无法有效分离的缺点，提高器件的光响应度。最终所制备的器件实现了在光通讯波段兼具高响应度和长寿命的光探测。石墨烯/黑磷异质结光探测器在近红外1550nm波段表现出长期稳定的光响应，极高的光响应度（3.3×10E3W/A），高达1.13×10E9的光导增益和约4ms的上升时间。由于黑磷本身各项异性的结构特点，石墨烯/黑磷在红外波段也展现出优异的偏振光探测性能。本项目成果进一步验证了窄带隙二维材料体系在近红外至中远红外波段巨大的可开发空间，在红外波段的高性能遥感、生物成像和环境监测方面具有潜在的应用前景。