隨著現代通信技術的發展，對寬帶、室溫紅外和太赫茲（THz）探測器的需求迅速增長。這些探測器在電信、安全檢查、非破壞性測試和醫學診斷等領域有著至關重要的應用。然而，現有的光探測器面臨著諸如高本征暗電流和需要低溫冷卻等挑戰，這些限制了它們在探測低能光子方面的效率。特別是在太赫茲波段，光子能量不足以激發價帶最大值（VBM）到導帶最小值（CBM）的電子躍遷，使得有效的光電轉換難以實現。因此，研究者們一直在尋找能夠在室溫下工作，且能夠響應從可見光到太赫茲波段的超寬帶探測器。
二維材料因其獨特的物理和化學性質，如層依賴的帶隙、高遷移率、平面各向異性和有效的靜電門控，成為了半導體技術中的理想材料。近年來，基于二維材料的光子和光電子應用不斷涌現，包括從太赫茲到紫外波段的寬帶光探測器。黑磷（BP）作為一種范德瓦爾斯半導體，因其窄帶隙和高載流子遷移率而展現出主要由光導、光伏、光熱電和等離子體波整流機制驅動的光響應，但在環境穩定性方面存在嚴重限制。黑砷烯（b-As）作為磷烯的“表親”，因其出色的環境穩定性和對氧化及環境降解的高抵抗力而備受關注。
據麥姆斯咨詢報道，近日，由中國計量大學、中國科學院上海技術物理研究所（簡稱：中國科學院上海技物所）、東華大學、國科大杭州高等研究院和意大利拉奎拉大學（University of L’Aquila）組成的科研團隊提出了一種室溫下工作的基于二維黑砷烯納米片的高性能超寬帶光電探測器。該器件在可見光、近紅外和太赫茲光譜范圍內均具有響應性，在 520 nm波長下的響應性達到 91.6 A/W ，在 1550 nm波長下的響應性達到 6.3 A/W ，在 0.27 THz波長下的響應性達到 7.8 V/W。基于黑砷烯的光電探測器能夠通過復雜的邏輯運算實現安全的太赫茲通信，實現強大的數據加密和高性能信號處理。這項研究以“Multispectral Integrated Black Arsenene Phototransistors for High-Resolution Imaging and Enhanced Secure Communication”為題發表在ACS Nano期刊上。
圖1展示了黑砷烯薄膜及其性能表征。為了驗證黑砷烯光電探測器的寬帶探測能力，研究人員探測了室溫下黑砷烯光電探測器在從可見光到近紅外（NIR）波段的響應度，相關探測性能如圖2所示，其中，圖2a展示了黑砷烯光電探測器的示意圖。
圖1 展示了黑砷烯薄膜及其性能表征
圖2?可見光到近紅外波段黑砷烯光電探測器的光探測性能表征
為了促進高性能的太赫茲探測，研究人員設計了通過在二維電子氣體（2DEG）中進行等離子波混合來實現高頻整流的黑砷烯場效應晶體管（FET）。圖3a顯示了該器件的原理圖和等效電路圖。
圖3 黑砷烯FET的傳輸特性
為了在室溫下測量太赫茲探測，研究人員采用了兩個VDI乘法器，通過使用鎖相技術實現光響應測量，相關探測和成像結果如圖4所示。
圖4 黑砷烯FET太赫茲探測器的實驗性能和高分辨率成像
最后，基于從可見光到太赫茲的超寬帶響應特性，該多光譜集成FET器件在同時接收光纖信號和無線通信信號方面具有極好的潛力。
圖5 黑砷烯FET超寬帶光電探測器的光電邏輯門
這項研究展示了黑砷烯光探測器在從可見光到太赫茲頻率范圍內的高效運行能力。這些器件在可見光到近紅外區域表現出優越的性能，具有高響應度和快速、大面積成像能力，且無需低溫冷卻。研究人員通過高分辨率太赫茲成像驗證了這些光探測器的實際應用潛力，展示了它們在無需低溫冷卻的情況下的穩健性能。獨特的架構使得這些探測器能夠執行復雜的邏輯操作，如AND和OR門，這對于安全數據加密和強大的信號處理至關重要。
盡管在高質量黑砷烯的合成、大面積均勻性和精確控制厚度方面存在挑戰，但通過先進的合成技術和保護策略來解決這些挑戰，將對實現黑砷烯在實際器件中的全部潛力至關重要。盡管存在這些限制，但研究人員通過充分利用黑砷烯的光譜能力，為開發集成光電子器件鋪平了道路，這些器件滿足了現代電信、生物醫學成像、環境監測和安全檢查日益增長的需求。黑砷烯在室溫下的穩定性和效率提供了一種易于獲取且成本效益高的解決方案，預示著其對基礎科學和技術應用可能產生的影響。
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14512
《汽車紅外攝像頭技術及市場-2024版》
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