具有超宽带和超快光响应速度的室温黑体敏感红外光电探测器是红外探测应用的理想选择，因为它们可以满足大多数需求，包括医疗诊断、遥感、安全、通信和天气预报。然而，对于红外探测器来说，同时具备上述特性是具有挑战性的。近年来，二维碲（2D Te）材料作为一种窄带隙（0.35 - 1.04 eV）材料，具有载流子迁移率高、光吸收强、稳定性好、面内各向异性等特点，已成为构建红外探测器的理想材料。通过溶液合成和化学气相沉积（CVD）方法可以制备高质量的二维Te材料。二维Te本身可以构成基于光电导效应的探测器。此外，二维Te还可用于构建不同类型半导体的范德华异质结构，包括过渡金属二硫族化合物（TMDs）、窄带隙二维材料和传统的三维（3D）半导体。这些异质结构诱导出内建场，从而产生自供电的光响应。
尽管在二维Te相关的探测器这一领域已经产生了不少进展，但具有室温黑体响应的二维Te光电探测器的报道很少。此外，由于二维Te的带隙，二维Te光电探测器的光响应波长范围限制在3.5 μm以内。基于二维Te的异质结构情况更糟：光响应截止波长通常低于2 μm，因为与二维Te形成异质结构的TMDs通常具有更大的带隙。基于二维Te光电探测器的工作带宽在几百赫兹以下，最大的只有几千赫（kHz）。因此，目前基于二维Te的红外探测器与具有室温工作、黑体灵敏度、超宽响应光谱、超快光响应速度等特点的理想的通用红外探测器还有很大距离。
据麦姆斯咨询报道，中国科学院上海技术物理研究所陈效双研究员、周靖研究员与中国计量大学光学与电子科技学院舒海波教授的合作团队提出了一种基于Te/PtSe₂异质结的室温黑体敏感光电探测器，具有可见到长波红外（519 nm ~ 10 μm）的光响应和超快响应速度（2.8 μs）。相关研究成果以“Room-Temperature Blackbody-Sensitive Photodetector with Visible-To-Long-Wavelength-Infrared Photoresponse and Ultrafast Speed Based on a Te/PtSe2 Heterostructure”为题，发表在Advanced Electronic Materials期刊上。
在这项研究中，研究人员利用异质结构的内建场、PtSe₂的交叉导带和价带、Te和PtSe₂两种材料的高迁移率，以及较高的光增益，建立了室温Te/PtSe₂异质结构光探测器。图1展示了Te/PtSe₂异质结构光电探测器的制备和表征。通过光学显微镜图像，可以直观地看到异质结构的布局。拉曼光谱图证实了Te和PtSe₂的高质量以及异质结构中没有杂质峰的存在。原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）图像进一步揭示了Te和PtSe₂层的厚度，以及它们之间清晰的界面，这些都是实现高性能光电探测的关键因素。
图1 Te/PtSe₂异质结构光电探测器的制备和表征
图2展示了Te/PtSe₂异质结的电学行为。Ids-Vds特性曲线表明了在不同光照条件下Te/PtSe₂器件的电导特性，显示出明显的光响应。激光诱导的光电流图谱结果进一步确认了光电流来源于两种材料的接触区域（即结区）。开尔文探针力显微镜（KPFM）图像揭示了Te和PtSe₂之间的表面电势差异，构建了异质结能带分布情况。
图2 Te/PtSe₂异质结的电学行为表征
图3详细表征了Te/PtSe₂光电探测器的光探测性能。自驱动光电流波形展示了器件在宽光谱范围内的响应能力。通过比较不同波长下的响应率，可以了解到器件在特定波长下的性能。光强度和偏压依赖的响应率测试揭示了器件在不同操作条件下的性能变化。噪声电流谱和比探测率的测量结果则表明了Te/PtSe₂光电探测器在实际应用中的高灵敏度潜力。通常，光电探测器的增益和响应时间之间存在权衡，但Te/PtSe₂光电探测器在实现高增益的同时保持了快速的响应速度。
图3 Te/PtSe₂光电探测器的光探测性能表征
图4展示了Te/PtSe₂光电探测器的黑体响应性能。通过使用不同温度的黑体光源，研究了器件在模拟实际热辐射条件下的性能。自驱动黑体响应率和比探测率的结果展示了Te/PtSe₂光电探测器在较宽的温度范围（750 K到1250 K）内具有灵敏的光响应。偏压依赖的响应率测试进一步证实了在外加偏压下器件性能会得到进一步提升，这为实际应用中的性能优化提供了重要信息。
图4 Te/PtSe₂光电探测器的黑体响应性能
综上所述，这项研究制备了一种二维Te/PtSe₂异质结光电探测器，可以在零偏压和有偏置电压下工作。该光电探测器可实现宽带（519 nm ~ 10 μm）和快速（2.8 μs）激光响应。由于其可忽略的势垒，该光电探测器具有较低的异质界面复合概率，从而提高了其光响应。在自供电模式下，其响应率可达376.8 mA W⁻¹，探测率可达4.0 × 10⁸ cm·√Hz·W⁻¹。在1V电压下，其响应率可达196.8 A W⁻¹，探测率可达4.3 × 10⁹ cm·√Hz·W⁻¹。Te /PtSe₂器件的最大增益可达4.4 × 10³，而3 dB带宽保持在较高水平（160 kHz），增益带宽积为1.8 × 10⁹，超过大多数薄层器件。此外，该探测器还具有黑体响应能力。在零偏置电压下，黑体响应率达到214.3 mA W⁻¹，黑体探测率达到2.4 × 10⁸ cm·√Hz·W⁻¹。在0.5 V偏置电压下，黑体响应率提高到24.8 A W⁻¹，黑体探测率达到7.4 × 10⁸ cm·√Hz·W⁻¹。器件的偏振消光比约为2.7。最后，Te /PtSe₂器件可以在室温下长时间保持稳定。这些特点突显了Te /PtSe₂异质结光电探测器在室温红外探测方面具有高灵敏度和快速光响应的巨大潜力。该研究为可见光到长红外探测提供了新的可能性。
https://doi.org/10.1002/aelm.202400268
