近期，中科院合肥研究院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部李廣海研究員課題組的李亮研究員與香港理工大學(xué)應(yīng)用物理系嚴(yán)鋒教授合作，在二維材料光電探測領(lǐng)域取得新進(jìn)展，成功研制了基于層狀三元碲化物InSiTe3的光電探測器。該光電探測器具有超快的光響應(yīng)（545 ~ 576 ns）以及從紫外到近紅外（UV-NIR）光通信區(qū)域的寬帶探測能力（365 ~ 1310 nm）。相關(guān)研究結(jié)果以“A Submicrosecond-Response Ultraviolet −Visible−Near-Infrared Broadband Photodetector based on 2D Tellurosilicate InSiTe3”為題在ACS Nano期刊上發(fā)表。
具有寬帶探測能力的光電探測器在我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并已廣泛應(yīng)用于成像、光纖通信、夜視等領(lǐng)域。迄今為止，基于傳統(tǒng)材料的光電探測器如：GaN (<400 nm)、Si (400 ~ 1100 nm) 和 InGaAs (800 ~ 1600 nm) 占據(jù)著從紫外到近紅外區(qū)域的光電探測器市場。然而，復(fù)雜的生長過程和高昂的制造成本阻礙了這些光電探測器的進(jìn)一步發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，人們一直在努力開發(fā)具有可調(diào)帶隙、強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用且易于集成的二維材料光電探測器。
如今，許多二維材料如石墨烯、黑磷和碲等已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的寬帶光探測能力。盡管如此，目前基于二維材料的高性能寬帶光電探測器數(shù)量仍然有限。特別是許多基于二維材料的光電探測器雖然表現(xiàn)出較高的光響應(yīng)度和探測率，但響應(yīng)速度較慢，這可能歸因于其較長的載流子壽命。這種較低的響應(yīng)速度限制了二維光電探測器在實(shí)際應(yīng)用中尤其是在光通信領(lǐng)域中。最近，石墨烯、黑磷和部分過渡金屬二硫?qū)倩铮═MDs）范德華異質(zhì)結(jié)器件已經(jīng)展現(xiàn)出二維材料在高速寬帶光電探測領(lǐng)域的潛力。然而，石墨烯是一種零帶隙材料，黑磷在環(huán)境條件下并不穩(wěn)定，TMDs異質(zhì)結(jié)的制造工藝相對(duì)復(fù)雜，這些問題同樣限制了這些材料在光電探測領(lǐng)域的應(yīng)用。
鑒于此，研究人員開發(fā)了一種基于層狀三元碲化物InSiTe3的光電探測器，合成出高質(zhì)量的InSiTe3晶體，并通過拉曼光譜分析了其拉曼振動(dòng)模式。InSiTe3的間接帶隙可以從1.30 eV（單層）調(diào)節(jié)到0.78 eV（體塊）。此外，基于InSiTe3的光電探測器表現(xiàn)出從紫外到近紅外光通信區(qū)域(365 ~ 1310 nm)的超快光響應(yīng)(545 ~ 576 ns)，最高探測率達(dá)到7.59×109 Jones。這些出色的性能價(jià)值凸顯了基于層狀I(lǐng)nSiTe3的光電探測器在高速寬帶光電探測中的潛力。
圖1 基于層狀I(lǐng)nSiTe3光電探測器的（a）光譜響應(yīng)與 （b）已經(jīng)報(bào)道的部分二維材料光電探測器的性能對(duì)比圖。
論文第一作者為納米材料與器件技術(shù)研究部博士生陳家旺。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省領(lǐng)軍人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、安徽省自然科學(xué)基金、安徽省先進(jìn)激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開放基金和香港理工大學(xué)基金的支持。
論文信息：
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11628
