具有被動工作、不受天氣干擾等優勢，紅外光電探測器已成為眾多軍用設備的“眼睛”，并在工業、醫學、氣象等領域占據了越來越重要的位置。從地球資源勘測、天氣預報到體溫檢測及新冠篩查，紅外技術被更加廣泛地應用于人類生活的方方面面。

目前常用的紅外光電探測器材料有碲鎘汞、銻化銦、Ⅱ類超晶格等。其中，碲鎘汞紅外光電探測器由于量子效率高、波長易控等優點成為紅外光電探測器的主流選擇。然而，碲鎘汞的固有缺陷和長波難控制等缺點難以避免，瓶頸問題難以突破。為滿足光電探測器高性能、低成本的發展需求，一些研究者通過開發新的材料體系來制備新型紅外光電探測器（如零維、二維材料光電探測器），從而實現能帶剪裁并在特定領域具有獨特的優勢。

據麥姆斯咨詢報道，華北光電技術研究所牛佳佳等人在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“基于低維材料的光電探測器的發展”為主題的綜述文章。牛佳佳主要從事紅外材料研究與測試工作。

這項研究介紹了具有代表性的量子點、石墨烯、過渡金屬硫化物和黑磷等新型探測器材料的基本結構、特點以及發展現狀，并就未來發展方向和應用領域進行了預測。

基于零維材料的光電探測器：量子點探測器的主體結構為三明治結構，發射極和收集極均為重摻雜層，勢壘層之間堆疊二維量子點陣列。量子點探測器主要分為PIN結構量子點探測器、CMOS結構量子點探測器、雪崩二極管量子點探測器和膠體量子點紅外光電探測器等。新興的膠體量子點探測器研究主要針對光電二極管、光電導體和場效應光電晶體管。主要應用的材料包括硫化鎘（CdS）、硫化鉛（PbS）和二硫化鉬（MoS2）等。制備方法主要包括水熱法、氣相合成法、溶膠－凝膠法、微乳液法、熱注入法和連續離子層吸附法。上述方法各有利弊，反應溫度、反應壓力、靶材選擇、合成的難易程度等都會影響材料及器件的性能。

（a）量子點探測器的原理圖；（b）基于光電導體的膠體量子點探測器的原理圖；（c）基于光電二極管的膠體量子點探測器的原理圖；（d）基于場效應光電晶體管的膠體量子點探測器的原理圖

基于二維材料的光電探測器：目前的二維材料探測器大多采用以下三種工作機理：光導效應、光柵壓效應和光伏效應。與經典的半導體材料相比，二維材料易于調控，主要表現在四個方面：（1）能夠實現應力調控。（2）帶隙可調。（3）柵壓可調。（4）摻雜可調控。

三種光電轉換機理對應的能帶圖和典型光電特性

石墨烯是最早大范圍應用于探測器的二維材料之一。由于電子在二維平面內不受縱向力的限制，可以自由移動，因此石墨烯具有良好的導電性。石墨烯是一種優良的探測器核心材料。與傳統的半導體材料（如GaAs等）相比，單層石墨烯對光的顯著吸收率使其飽和強度更低、光載流子密度更高。

（a）多維度碳材料結構圖；（b）金屬、石墨烯、金屬型石墨烯光電探測器的結構圖

過渡金屬硫化物（MX2）探測器中，超薄二硫化鉬（MoS2）是過渡金屬硫化物半導體材料的典型材料之一。MoS2的光響應范圍較廣，但在紅外波段的光響度特別低。

二硫化鉬光電探測器

黑磷（BP）是一種不同于石墨烯和過渡金屬硫化物的二維光電材料。超薄BP在近紅外和可見光波段都具有較好的光電響應，近幾年，BP的探測范圍能達到中紅外波段。BP成為新型光電探測器的潛力材料之一。

（a）自支撐BP柔性光電探測器；（b）InP量子點/黑磷探測器；（c）六方氮化硼（hBN）/黑砷磷/ hBN探測器

這項研究系統介紹了紅外光電探測器中零維和二維材料的原子結構和能帶特點，總結了新型探測器的研究現狀和性能優化方向。量子點探測器具有抗輻射和高探測度的特點，未來主要應用于空間領域。二維材料主要采用光導效應、光柵壓效應、光伏效應等三種光電轉換機理，主要材料是以石墨烯、MoS2為代表的過渡金屬硫化物和BP。系統介紹了三種材料的能帶體系、材料制備、器件工藝以及后續發展方向。低維材料光電探測器的理論性能優良，但受限于目前的材料制備和器件工藝，其性能仍需要提升。未來經過發展，高性能、低成本的紅外光電探測器將會滿足不同領域的需求。

編輯：黃飛

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