近年來，二維層狀材料憑借無懸掛鍵表面、高載流子遷移率與靈活的范德華集成能力，為光電探測器設計提供了全新的材料平臺。然而，多數二維材料帶隙較寬，不適合中紅外探測；少數窄帶隙二維材料如黑磷、PtSe?等，又存在暗電流高、光吸收弱或環境穩定性差等問題，難以單獨支撐高性能中紅外器件。構建二維/三維范德華異質結成為突破這一困境的有效思路：既可以利用三維半導體的強吸收保障光生載流子產額，又可以借助二維材料的界面調控能力抑制暗電流與噪聲。
據麥姆斯咨詢報道，近日，南昌大學的研究團隊提出混合維度范德華異質結設計方案，將三維窄帶隙半導體PbSe與二維Weyl半金屬WTe?結合構建肖特基異質結，借助內建電場調控與界面鈍化的雙重作用，在保留PbSe寬光譜強吸收優勢的同時，將暗電流密度降低一個數量級，低頻1/f噪聲抑制兩個數量級。器件實現了808–4000 nm的寬光譜響應，2600 nm處峰值比探測率達4.81×10? cm·√Hz·W?1，響應速度達亞毫秒級，并成功實現室溫黑體輻射探測與熱目標成像，綜合性能與商用室溫中紅外探測器相當，為無制冷、低成本中紅外傳感與成像技術提供了新的技術路徑。研究成果以“PbSe/WTe? Schottky Heterojunction for Low-Noise Mid-Infrared Detection”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。
范德華異質結的制備與表征
研究團隊采用“薄膜生長+干法轉移”的工藝路線制備PbSe/WTe?異質結器件，全程避免高溫外延過程，保留了兩種材料的本征特性。圖1展示了PbSe/WTe?異質結構的構建與表征。
圖1 PbSe/WTe?異質結構的構建與表征
PbSe/WTe?異質結構的光電特性
研究團隊對PbSe/WTe?異質結構進行了系統的測試，相關結果如圖3所示。暗電流與噪聲水平是決定室溫紅外探測器探測下限的核心參數。測試結果顯示，PbSe/WTe?異質結在暗態下表現出明顯的整流特性，整流比約為10倍，呈現出典型的肖特基二極管輸運行為；而純PbSe器件無顯著整流效應。此外，噪聲譜測試進一步揭示了該異質結對噪聲的調控作用。這一提升源于雙重機制：一是肖特基勢壘對多數載流子熱發射的阻擋作用，從根源上降低了暗電流的絕對值；二是WTe?層對PbSe表面的物理鈍化作用，減少了表面懸掛鍵與缺陷態，抑制了缺陷介導的1/f噪聲產生。
圖2 PbSe/WTe?異質結的光電特性
載流子輸運機制與能帶調控原理
為深入揭示異質結的暗電流抑制與光響應機理，研究團隊結合熱電子發射理論與隧穿模型，定量分析了載流子輸運過程和隧穿機制，相關結果如圖3所示。對輸運機制與能帶結構的清晰認知，不僅解釋了當前器件性能的物理來源，也指明了進一步優化的方向。未來通過界面鈍化工藝降低缺陷態密度、精準調控能帶對齊，有望進一步降低理想因子、提升整流比與暗電流抑制效果，推動器件性能向理論極限逼近。
圖3 PbSe/WTe?異質結的光響應機理與性能
響應光譜與光電探測
得益于PbSe本征的窄帶隙特性與異質結的高效載流子分離，PbSe/WTe?異質結光電探測器實現了超寬光譜的光電響應，證實了從近紅外到中紅外的寬帶探測能力，相關結果如圖4所示。
圖4 PbSe/WTe?異質結的黑體響應與熱成像特性
與已報道的多種WTe?基、PbSe基及其他二維材料異質結探測器相比，該器件在光譜覆蓋范圍、響應速度與探測靈敏度的綜合平衡上具有明顯優勢，整體性能與商用室溫中紅外探測器相當，對比結果如表1所示。
表1 PbSe/WTe?異質結器件與其他已報道器件的光電性能對比
http://doi.org/10.1021/acsami.6c06229
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