二维二硒化铂/锗异质结近红外光探测器的研究

Germanium (Ge) photodetectors have attracted extensive research interest due to their significant applications in many fields including next-generation optical communication and near-infrared (NIR) imaging, etc. This proposal aims to investigate high-performance NIR photodetectors based on two-dimensional (2D) PtSe2/Ge heterojunctions. We will synthesis large-scale PtSe2 films via a thermally-assisted selenization method, and assemble the heterojunctions through directly transferring or in-situ growing the films atop Ge substrates. Through optoelectronic property characterization, the effect of different preparation techniques on the device performance will be clearly revealed. What is more, the spectral response will be extended via tuning the optoelectronic properties of the PtSe2 by adjusting its bandgap. Finally, the performance of the devices will be greatly enhanced through some strategies such as introducing interfacial passivation layer, adjusting interface energy band, constructing micro-/nano-structure arrays with light trapping effect, and exploring surface plasmonic effect. The possible avenues towards device integration will also be explored. This proposal will be helpful for improving the performance of Ge photodetectors and reducing the fabrication cost, and give birth to high-performance NIR photodetectors.

锗探测器由于在包括新一代光纤通信和近红外成像等诸多领域的重要应用价值而受到人们广泛的关注。本项目以高性能二维二硒化铂/锗异质结近红外光探测器为主要研究对象。我们将利用热辅助硒化法合成大面积二硒化铂薄膜，并采用直接转移或原位生长的方法构筑异质结。通过光电性能表征，揭示制备方法对器件性能的影响。此外，通过调控二硒化铂的带隙来调节其光电性质，实现器件光谱响应范围的拓宽。在此基础上，结合引入界面钝化层与能带调控、构建微纳米阵列陷光结构、利用表面等离子体增强效应等手段提升器件的性能和参数，并探索器件集成的可能途径。本项目的开展，将有助于提升锗探测器的性能并降低其制备成本，推动高性能近红外光探测器的不断涌现。

开发高性能近红外光探测器对促进包括夜视成像、伪装探测、隐蔽监视和光纤通信、工业检测、环境监测等许多军事和国民经济领域的发展有十分重要的意义。锗是一种十分理想的可实现高效近红外光探测的光敏感材料，但目前锗基探测器的发展仍存在诸多问题。二维二硒化铂是一种典型的二维层状材料，具有一系列优异的电学和光学性质，赋予了光电器件新的特性和功能。. 项目以开发高性能二维二硒化铂/锗异质结近红外光探测器为导向，主要研究内容包括：(1) 利用热辅助转化法合成了大面积的二维二硒化铂及其它十族过渡金属硫属化物薄膜，并对材料的物相、组分、结构、光学和电学等性质进行了研究；(2) 将二维十族过渡金属硫属化物与锗等半导体材料结合构筑了高性能的近红外光探测器，对器件的性能进行了测试表征和分析，采用多种手段优化和提升探测器性能；(3) 基于上述异质结，初步实现了1×10器件单元的线阵列探测器和8×8器件单元的面阵列探测器，并对探测器阵列的近红外光成像功能、光轨迹跟踪和近红外光通讯应用进行了探索。通过项目实施，成功构筑了响应度高达976 mA/W的近红外光探测器，综合性能媲美商业化锗基探测器；通过引入深紫外光敏材料，实现了电场调控的高性能深紫外-近红外光单波段-双波段光探测；构筑了基于二维二硒化铂/锗异质结的线阵列探测器，器件单元响应度也高达766 mA/W，并成功实现了1550 nm波段的近红外光成像和光通讯应用；引入MXene材料，构建了可溶液法制备的近红外光探测器，并实现了优异的光电响应性能。. 项目研究结果有助于揭示异质结光探测器中材料性质、器件结构与器件性能之间的内在关系，同时为发展基于二维材料的集成化器件并探索其在成像与光通讯等领域的应用提供借鉴。