近日，中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室王建祿、胡偉達等研究人員將具有熱釋電功能的鐵電材料與低維半導體材料相結合，綜合利用兩類材料多機制耦合及多效應融合，在超寬光譜探測方面取得重要進展，實現了從紫外-可見-短、中、長波紅外超寬譜段覆蓋的探測功能原型器件。
研究結果以「Multimechanism Synergistic Photodetectors with Ultrabroad Spectrum Response from 375 nm to 10 μm」為題發表在《尖端科學》Advanced Science (Adv. Sci., 2019, 6: 1970089) 期刊，影響因子15.804，並被編輯遴選為當期封面文章。
紅外探測技術在軍事和民生等各個領域都具有重要應用，隨著應用需求的不斷增長，紅外探測技術正朝著超靈敏、高分辨、寬光譜的方向發展。其中，拓展響應光譜範圍，同時提高靈敏度對於應對複雜環境下的信息智能獲取具有重要意義。
紅外探測器根據探測原理又可分為兩大類，一類是基於紅外輻射的熱效應，利用紅外輻射引起溫度變化敏感的探測器，稱為「熱（敏）探測器」；另一類是光電效應，利用材料電子直接吸收紅外輻射而發生輸運狀態的改變，這種基於紅外輻照改變電學性質的探測器，稱為「光電/子探測器」。
器件結構及原理示意圖
熱釋電探測器是通過監測由於紅外輻射引起敏感元表面電荷隨溫度變化來探測紅外輻射的器件，屬於一類典型的熱探測器。此類探測器探測輻射波長範圍廣、室溫工作、體積重量及價格上具有優勢。制約該類器件性能主要因素在於高效熱隔離、放大讀出電路引入的噪聲及時間常數等。
低維半導體材料因獨特的低維結構和優異的光電特性受到廣泛關注和快速發展，在用於光電探測時，具有小尺寸、低功耗、高靈敏等優勢。然而，由於吸收效率低，導致低維半導體材料在紅外探測領域受到極大限制。
研究人員將鐵電材料與低維半導體材料相結合，構建場效應電晶體結構，並將器件製備在超薄的聚醯亞胺襯底上（厚度僅為1.7 μm），有效改善器件熱隔離。在該結構中，低維半導體二硫化鉬（MoS2）為溝道材料，有機鐵電聚合物聚偏二氟乙烯（P(VDF-TrFE)）為柵電介質。
通過鐵電材料與低維半導體材料的多機制耦合及多效應融合，探測器的響應光譜範圍可連續地覆蓋紫外至長波紅外波段（375 nm-10 μm）。其中，在中波至長波紅外波段，器件的光響應主要源於鐵電材料的熱釋電效應，而低維半導體則用於讀出並放大由紅外輻射引起的熱釋電電流，具體器件結構及原理如圖1所示。
該論文被遴選為當期《尖端科學》雜誌封面文章
因此，通過鐵電材料的熱釋電效應與低維材料的半導體特性及介面特性相結合，使器件在該波段的靈敏度得到極大提升。在紫外至近紅外波段，通過對器件結構和製備工藝的改進，延續課題組在該領域之前所做的研究工作（Advanced Materials, 2015, 27, 6575），器件性能得到進一步提升，並成功獲得對可見光目標的單元成像。
綜上，這項工作融合了鐵電材料的熱釋電效應、極化特性以及低維材料的半導體特性、光電導效應、場效應等，通過多種物理機制相互協同，從而實現了具有高性能的超寬光譜響應探測器。這項工作中涉及的工藝方法簡單、穩定，為研發大面積柔性室溫寬光譜焦平面器件奠定了基礎。
該項工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院和上海市科委的經費支持。
文章來源：上海技物所