华中科技大学吴峰、中科院上海技术物理研究所胡伟达InfoMat：基于2D/3D混维范德华异质结构集成的光电探测器综述

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摘  要

华中科技大学吴峰教授和中国科学院上海技术物理研究所胡伟达教授团队探讨了2D/3D范德华异质结构的独特优势，以及其光电探测器的结构分类、工作机制和构建方法，最后聚焦了2D/3D vdWH在光电探测领域的应用。

文章简介

近年来，二维层状材料（2DLMs）因其独特的特性，如表面无悬挂键，厚度依赖性带隙，高吸收系数，大比表面积等，吸引了广泛关注。然而，大面积高质量的2DLMs薄膜的高质量生长和转移仍然是基于纯2DLMs的光电探测器商业化的巨大挑战。与此相反，三维(3D)传统半导体光电探测器的材料生长和器件制造技术逐渐成熟。然而，光探测性能的进一步提高受到异质集成的困难或通过异质外延法获得的晶体质量较差的限制。不过，2D/3D范德华异质结构（vdWH）同时结合了这两种类型材料的优势，为开发高性能光电子器件提供了新平台。

鉴于此，近日来自华中科技大学的吴峰教授和中国科学院上海技术物理研究所胡伟达教授共同领导的研究团队在InfoMat上以Integrating 2D layered materials with 3D bulk materials as van der Waals heterostructures for photodetections: Current status and perspectives为题发表综述文章，讨论了2D/3D vdWH的独特优势，并简要介绍了2D/3D vdWH光电探测器的结构分类、工作机制和构建方法，最后聚焦了2D/3D vdWH在光电探测领域的应用。

光电探测器是一类重要的光电子器件，具有将光信号转化为电信号的功能。它在现代科技和工业中扮演着至关重要的角色，广泛应用于通信、图像传感、光谱分析、医学诊断、环境监测等领域。光电探测器的工作原理基于光电效应，当光子通过光敏材料时，会激发材料中的电子跃迁至导带，产生电子空穴对。这些电子和空穴在外部电场的作用下，形成电流，从而转化为电信号。

图1. 2D/3D范德华异质结构的优势及其在光电探测领域的应用。

光电探测器的种类多种多样，常见的有光电二极管（Photodiode）、光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）、光电晶体管（Phototransistor）、光电阻（Photoresistor）等。每种类型的光电探测器都有其特定的工作原理和应用领域。2D/3D范德华异质构光电探测器（2D/3D vdWH）作为新兴的前沿领域，融合了二维层状材料（2DLMs）和传统三维半导体材料的优势，引发了广泛的研究兴趣。在这个融合中，一种全新的可能性得以实现，为光电探测器的性能和应用领域开启了崭新的未来。

2D/3D vdWH的优势在于将2DLMs和传统三维半导体材料有机地结合在一起，充分发挥各自的特点和优势。这种结合并不仅仅是简单地叠加，更是在微观层面上实现了两者的紧密结合，创造了一种全新的材料体系，为光电探测器的发展注入了新的活力。从光电性能的角度看，2D/3D vdWH的优势显而易见。2DLMs以其特有的量子效应和表面效应，在光电领域展现出了独特的潜力。然而，单独的2DLMs可能在某些方面存在局限性。而将其与传统三维半导体材料结合，不仅可以继承二者的优点，还可以弥补各自的不足，实现更高效、更灵敏的光电探测性能。2D/3D vdWH的独特之处还体现在材料的多样性和可调性。2DLMs本身就是一个多样性极高的材料体系，通过调整其厚度、掺杂和应变等，可以实现光电性能的精细调控。传统的三维半导体材料在带隙、载流子传输率等方面也有着丰富的特性。而通过将这两类材料层次性地组合，2D/3D vdWH可以实现更加灵活的性能调节，以适应不同应用场景的需求。这种结合不仅在性能上带来了优势，还拓展了光电器件的多功能性。在同一个器件中实现多波段光电探测、偏振光电探测、高灵敏光电探测等功能，为光电器件的设计和应用提供了更多可能性。这种多功能性的实现，不仅丰富了光电器件的应用领域，还为光电子学的发展带来新的创新思路。

值得注意的是，2D/3D vdWH的结构还赋予了其界面调控和异质结构的优势。范德华力的作用使得异质结界面不受晶格匹配的限制，从而可以实现更加清晰、稳定的界面结构。这种清晰的界面不仅有助于提高载流子的传输效率，还可以进一步优化光电探测器的性能。此外，2D/3D vdWH在纳米尺度和柔性性质方面也具备巨大潜力。2DLMs的纳米特性为器件的纳米尺度设计提供了可能性。而结合传统三维半导体材料，不仅可以实现更多样化的器件设计，还可以应用于柔性光电器件，如可穿戴设备、柔性显示等领域。

图2. 2D/3D范德华异质结构基光电探测器的结构分类。

此外，光电探测器的稳定性对于其实际应用和商业化至关重要。虽然对于传统三维半导体材料来说，稳定性可能不是一个问题，但对于许多2DLMs来说，如黑磷（BP），空气暴露往往会导致器件性能的严重退化。因此，如何通过适当的封装技术来提高光电探测器的稳定性，成为了一个迫切需要解决的问题。

图3. 2D/3D范德华异质结构的组装和构建方法。

虽然在2D/3D vdWH光电探测器的研究还存在诸多挑战，但正是这些挑战激发了研究者们不断创新和突破的动力。通过攻克这些挑战，我们可以进一步拓展2D/3D vdWH光电探测器的研究领域，实现其性能的提升和多样化功能的实现。这不仅将推动光电子技术的发展，还将为实际应用带来新的可能性。综上所述，尽管2D/3D vdWH光电探测器在光电子领域展现出巨大的潜力，但其研究仍处于起步阶段。通过攻克组装技术、掺杂控制、金属-半导体接触和稳定性等方面的挑战，相信我们可以进一步推动这一领域的发展，实现光电探测器性能的提升和多样化功能的实现，为光电子技术的发展做出重要贡献。未来，随着技术的不断进步和创新的推动，2D/3D vdWH光电探测器将有望在更广泛的应用领域中展现其无限潜能。

《信息材料（英文）》（InfoMat）创刊于2019年，是由教育部主管，电子科技大学和Wiley出版集团共同主办的开放获取式英文学术期刊（月刊）。本刊聚焦信息技术与材料、物理、能源以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究，旨在打造电子信息领域的世界顶尖期刊，推动电子信息技术与多学科交叉的共同发展。期刊2022年度影响因子为22.7，JCI指数2.37，5年影响因子22.7，2022年度CiteScore为35.6，SNIP指标为3.344。在材料科学各领域位列前茅，其中科院分区为材料科学1区Top、材料科学综合1区。期刊先后收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD、CAS、INSPEC等数据库。

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