近日，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王建祿、胡偉達(dá)等研究人員將具有熱釋電功能的鐵電材料與低維半導(dǎo)體材料相結(jié)合，綜合利用兩類材料多機(jī)制耦合及多效應(yīng)融合，在超寬光譜探測(cè)方面取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了從紫外-可見-短、中、長(zhǎng)波紅外超寬譜段覆蓋的探測(cè)功能原型器件。研究結(jié)果以“Multimechanism Synergistic Photodetectors with Ultrabroad Spectrum Response from 375 nm to 10 μm”為題發(fā)表在《尖端科學(xué)》Advanced Science (Adv. Sci., 2019, 6: 1970089) 期刊，影響因子15.804，并被編輯遴選為當(dāng)期封面文章。
紅外探測(cè)技術(shù)在軍事和民生等各個(gè)領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用，隨著應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)，紅外探測(cè)技術(shù)正朝著超靈敏、高分辨、寬光譜的方向發(fā)展。其中，拓展響應(yīng)光譜范圍，同時(shí)提高靈敏度對(duì)于應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的信息智能獲取具有重要意義。紅外探測(cè)器根據(jù)探測(cè)原理又可分為兩大類，一類是基于紅外輻射的熱效應(yīng)，利用紅外輻射引起溫度變化敏感的探測(cè)器，稱為“熱（敏）探測(cè)器”；另一類是光電效應(yīng)，利用材料電子直接吸收紅外輻射而發(fā)生輸運(yùn)狀態(tài)的改變，這種基于紅外輻照改變電學(xué)性質(zhì)的探測(cè)器，稱為“光電/子探測(cè)器”。
熱釋電探測(cè)器是通過監(jiān)測(cè)由于紅外輻射引起敏感元表面電荷隨溫度變化來探測(cè)紅外輻射的器件，屬于一類典型的熱探測(cè)器。此類探測(cè)器探測(cè)輻射波長(zhǎng)范圍廣、室溫工作、體積重量及價(jià)格上具有優(yōu)勢(shì)。制約該類器件性能主要因素在于高效熱隔離、放大讀出電路引入的噪聲及時(shí)間常數(shù)等。低維半導(dǎo)體材料因獨(dú)特的低維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光電特性受到廣泛關(guān)注和快速發(fā)展，在用于光電探測(cè)時(shí)，具有小尺寸、低功耗、高靈敏等優(yōu)勢(shì)。然而，由于吸收效率低，導(dǎo)致低維半導(dǎo)體材料在紅外探測(cè)領(lǐng)域受到極大限制。
研究人員將鐵電材料與低維半導(dǎo)體材料相結(jié)合，構(gòu)建場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，并將器件制備在超薄的聚酰亞胺襯底上（厚度僅為1.7 μm），有效改善器件熱隔離。在該結(jié)構(gòu)中，低維半導(dǎo)體二硫化鉬（MoS2）為溝道材料，有機(jī)鐵電聚合物聚偏二氟乙烯（P(VDF-TrFE)）為柵電介質(zhì)。通過鐵電材料與低維半導(dǎo)體材料的多機(jī)制耦合及多效應(yīng)融合，探測(cè)器的響應(yīng)光譜范圍可連續(xù)地覆蓋紫外至長(zhǎng)波紅外波段（375 nm-10 μm）。其中，在中波至長(zhǎng)波紅外波段，器件的光響應(yīng)主要源于鐵電材料的熱釋電效應(yīng)，而低維半導(dǎo)體則用于讀出并放大由紅外輻射引起的熱釋電電流，具體器件結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。因此，通過鐵電材料的熱釋電效應(yīng)與低維材料的半導(dǎo)體特性及界面特性相結(jié)合，使器件在該波段的靈敏度得到極大提升。在紫外至近紅外波段，通過對(duì)器件結(jié)構(gòu)和制備工藝的改進(jìn)，延續(xù)課題組在該領(lǐng)域之前所做的研究工作（Advanced Materials, 2015, 27, 6575），器件性能得到進(jìn)一步提升，并成功獲得對(duì)可見光目標(biāo)的單元成像。綜上，這項(xiàng)工作融合了鐵電材料的熱釋電效應(yīng)、極化特性以及低維材料的半導(dǎo)體特性、光電導(dǎo)效應(yīng)、場(chǎng)效應(yīng)等，通過多種物理機(jī)制相互協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)了具有高性能的超寬光譜響應(yīng)探測(cè)器。這項(xiàng)工作中涉及的工藝方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，為研發(fā)大面積柔性室溫寬光譜焦平面器件奠定了基礎(chǔ)。
該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院和上海市科委的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.201970089
器件結(jié)構(gòu)及原理示意圖
該論文被遴選為當(dāng)期《尖端科學(xué)》雜志封面文章
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