近日，東南大學(xué)倪振華教授、呂俊鵬團(tuán)隊(duì)提出了基于二維材料垂直溝道異質(zhì)結(jié)的室溫紅外探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了從紫外到中波紅外的超寬波段、高靈敏、高速、室溫紅外探測(cè)。相關(guān)成果以《基于二維材料垂直溝道異質(zhì)結(jié)的高靈敏高速寬波段中紅外探測(cè)器》（“High-sensitivity, high-speed, broadband mid-infrared photodetector enabled by a van der Waals heterostructure with a vertical transport channel” ）為題發(fā)表在Nature Communications上。

如何實(shí)現(xiàn)兼具高速、高靈敏、寬波段響應(yīng)的室溫紅外探測(cè)器一直是紅外探測(cè)領(lǐng)域存在的核心瓶頸問(wèn)題。其中基于傳統(tǒng)材料的中波紅外探測(cè)器面臨復(fù)雜制備工藝、需低溫制冷降低暗電流、難以小型化集成化等挑戰(zhàn)。二維材料異質(zhì)結(jié)堆疊免受晶格匹配限制、能帶多樣覆蓋超寬波段、超薄柔性易于調(diào)控，在降低室溫暗電流、實(shí)現(xiàn)寬波段探測(cè)、片上集成與智能化處理等方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，盡管現(xiàn)階段基于二維材料的室溫紅外探測(cè)器已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，但其性能與商用制冷型紅外探測(cè)器相比仍有差距。

針對(duì)這一難題，倪振華、呂俊鵬團(tuán)隊(duì)和南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉宏微團(tuán)隊(duì)合作，提出了具有垂直溝道結(jié)構(gòu)的石墨烯/黑磷/二硫化鉬/石墨烯范德華異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了不同性能指標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化。垂直溝道與水平溝道相比具有如下優(yōu)勢(shì)：一是更高的傳輸效率。垂直溝道將載流子傳輸路徑縮短到數(shù)十納米，比水平溝道短三個(gè)數(shù)量級(jí)，使光生載流子在復(fù)合之前被電極收集，提升器件量子效率。二是更短的渡越時(shí)間。垂直溝道更短的傳輸距離結(jié)合沿溝道方向的內(nèi)建電場(chǎng)，減少了載流子渡越時(shí)間，提升器件響應(yīng)速度。三是更高的收集效率。石墨烯高載流子遷移率有助于快速提取載流子到外部電路。通過(guò)多個(gè)維度的協(xié)同優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了比探測(cè)率高達(dá)2.38×1011 cmHz1/2W-1（接近黑體輻射背景限理論極限），響應(yīng)速度快至10.4納秒，響應(yīng)波段覆蓋紫外到中波紅外（325 nm – 3800 nm）的室溫自驅(qū)動(dòng)高性能紅外光電探測(cè)器。探測(cè)器性能達(dá)到了商用制冷型碲鎘汞探測(cè)器水平，為下一代室溫高性能紅外探測(cè)器的發(fā)展提供了新思路。

東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、物理學(xué)院倪振華教授、呂俊鵬教授，物理學(xué)院張嘉霖教授，南京師范大學(xué)劉宏微教授為本文的共同通訊作者。集成電路學(xué)院吳建峰副研究員和物理學(xué)院張嘉霖教授為本文的共同第一作者。該研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。