室温范德华中波红外探测器线性阵列

MEMS

2个月前

研究人员设计了八通道并行读出的被动成像系统，用以验证该范德华光电探测器线性阵列的探测能力，相关结果如图4和图5所示。

3~5 μm波段的中波红外（MWIR）是红外辐射的主要大气窗口之一，具有高达80%~85%的大气透过率，使得MWIR被动成像技术能够有效地穿透大气污染物，捕获目标物体的热辐射信号，提供高质量的成像结果。中波红外被动成像技术在安全、医疗和工业等多个领域具有重要应用，红外探测器是被动成像技术中感知和接收红外辐射信号的核心部件，通常基于窄带隙半导体材料或特殊结构，如InSb、HgCdTe和II型超晶格。尽管经过几十年的发展，这些探测器已经扩展到焦平面阵列，但它们的外延生长过程仍然容易受到晶格失配和有毒物质的影响。

二维材料，尤其是硫化钼（MoS₂），因其半导体特性、高载流子迁移率和化学稳定性，在光探测方面显示出巨大潜力，成为光电器件的理想材料。特别是原子级薄的MoS₂与碳纳米管构成的异质结，在电学和光学性质上表现出栅极可调性。但目前由于带隙宽，阵列探测器仅局限于可见光谱。通过直接硒化法和碲蒸气转化法制备的贵金属二硫族化合物具有窄带隙，但这些方法得到的材料多呈现多晶形态，并伴有众多缺陷，这些缺陷对材料的性能和均匀性产生了不利影响。此外，材料的像素分散导致辐射利用效率降低，而极低的填充因子进一步削弱了阵列器件的灵敏度。因此，这类探测器主要应用于激光辅助掩模成像，应用场景相对有限。

黑磷（BP）因其高迁移率、可调带隙和极化敏感性，在中波红外光电应用中受到青睐，已报道具有偏振敏感检测能力的高灵敏度光电二极管，从而产生了诸如图像传感器、气体探测器和光谱仪等功能器件。基于BP的光电探测器提供类似于相机探测芯片的功能，允许在室温下进行被动成像，然而目前报道的高灵敏度光探测仍然局限于单像素光电探测器，在被动成像时只能逐像素采集成像数据，这给获得高分辨率图像带来了很大的挑战。

据麦姆斯咨询报道，由中国科学院上海技术物理研究所（简称“上海技物所”）、复旦大学和中国科学院大学杭州高等研究院组成研究团队使用温度辅助倾斜转移法制备的8×1 BP/MoS₂范德华（vdWs）光电探测器线性阵列，具有高填充因子和优异的光电性能均匀性，在3.6 μm下的平均峰探测率（D*）达到2.34×10⁹ cm·√Hz·W⁻¹。与单像素相比，推扫式扫描被动成像系统和八通道并行读出方法显著提高了成像效率，非均匀性去噪方法对改善图像质量和增强目标识别能力具有重要作用。

相关研究成果以“Van der Waals mid-wavelength infrared detector linear array for room temperature passive imaging”为题，发表在Science Advances期刊上。这项研究第一作者为复旦大学Tengfei Xu和中国科学院大学杭州高等研究院Fang Zhong，通讯作者为上海技物所胡伟达研究员和王鹏研究员。

这项研究提出了一种8×1的BP/MoS₂范德华光电探测器线性阵列，该阵列的填充因子高达约77%，并且采用了温度辅助倾斜转移方法进行制备，如图1所示。