近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)、苗金水團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)彭海琳團(tuán)隊(duì)合作，提出將動量匹配和能帶匹配（能動量匹配）的范德華異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于紅外探測，結(jié)果表明該器件設(shè)計(jì)可顯著提高二維材料紅外探測器量子效率，為研制高量子效率紅外探測器提供了新方法。相關(guān)研究成果以Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection為題，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

窄禁帶二維半導(dǎo)體具有層間范德華力任意堆疊成異質(zhì)結(jié)構(gòu)、無表面懸掛鍵、暗電流極易被外場操控等優(yōu)點(diǎn)，為研制室溫、高靈敏紅外探測器提供了新機(jī)遇。然而，二維半導(dǎo)體原子級薄層特性限制了其高量子效率紅外探測器的應(yīng)用。本研究創(chuàng)新性地將新型能動量匹配范德華異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于紅外探測器技術(shù)。研究顯示，二維半導(dǎo)體Black phosphorus（BP）的價(jià)帶頂和Bi2O2Se的導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)的Γ點(diǎn)（圖1a），光生載流子在界面處能直接躍遷到BP和Bi2O2Se的導(dǎo)帶，提高了光生載流子的躍遷幾率和產(chǎn)生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ類能帶結(jié)構(gòu)（圖1b），進(jìn)而提高了光生載流子的收集效率。本研究制備的能動量匹配BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)材料紅外探測器相比擬的量子效率，在1.3 μm時(shí)量子效率達(dá)到84%，在2 μm時(shí)量子效率達(dá)到76.5%（圖1c）。此外，該BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器實(shí)現(xiàn)了較高的偏振特性，在短波紅外波段偏振比達(dá)到17（圖1d）。

圖1 動量匹配與能帶匹配的范德華紅外探測器：a、動量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)能谷結(jié)構(gòu)示意圖；b、能帶匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)示意圖；c、能動量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器的量子效率；d、能動量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器的偏振特性。