摘要
黑磷，庞大的二维材料家族中的一员，最近在光电子领域引起了人们广泛的关注，原因是其各向异性的光电特性，超高载流子迁移率，以及厚度可调的直接带隙（单层1.5eV到厚层0.3eV）。优异的特性使得它在未来的光电子器件领域中极具应用潜力，尤其是红外光探测。到目前为止，人们已经报道了诸多基于黑磷的光电探测器，充分证明了它在下一代光电探测器中的应用前景。然而，目前基于黑磷的光电探测器存在以下两个问题：（1）纯黑磷光电导探测器暗电流大，信噪比低，从而导致光电探测器较低的探测率，限制了其光电探测性能；（2）迄今为止，基于黑磷异质结的红外室温光电探测器寥寥无几，仅在近红外或短波红外波段有较高的响应。原因是光吸收激发光生载流子只是光响应的第一步，后面的载流子分离、复合、俘获过程才是产生光响应的决定性过程。因此，如何优化光电探测器结构，使其实现高性能宽波段探测，成为了我们不得不考虑的事情。在本文中，我们通过异质结工程和界面工程利用黑磷材料实现了两个高性能宽波段光探测器，具体内容如下： 1、利用p型的黑磷材料和另一种窄带隙的n型半导体铋氧硒，设计了基于黑磷和铋氧硒的高性能光电探测器。该器件在700nm，850nm，1310nm和1550nm光照下分别表现出约500A/W，9.5A/W，4.3A/W和2.3A/W的高响应度。得益于异质结的超低暗电流，在700nm光照下异质结探测器的比探测率达到2.8×1011Jones，比纯黑磷光探测器（3.0×109Jones）和纯铋氧硒光探测器（3.8×109Jones）高出两个数量级。此外，黑磷-铋氧硒异质结界面处的超快载流子分离确保了器件快速的光电响应（9ms），比纯黑磷（190ms）和纯铋氧硒（180ms）探测器快20倍以上。 2、通过紫外-臭氧处理的方式，在黑磷表面上引入一层氧化磷界面层，构建了黑磷-氧化磷-石墨烯异质结，实现了高性能的宽波段光探测器。实验证明了氧化磷界面层能够有效的抑制石墨烯与黑磷之间的界面复合，并且引入超高光电流增益（108）。结果表明，黑磷-氧化磷-石墨烯异质结光电探测器在700nm处显示出104A/W的最大响应度和1011Jones的比探测率，与黑磷-石墨烯异质结光电探测器相比，提升了三个数量级。此外，该设备还具有室温超宽带检测能力（可见光~4μm的中红外区域），最大响应度在1.6μm时为118A/W，在2.1μm时为98A/W，在3.4μm时为0.8A/W。
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