面向紫外光探测器的低维宽禁带半导体

以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维

在现代光电子技术领域，紫外光探测器作为一种关键性器件，正扮演着越来越重要的角色。紫外光的应用范围涵盖了医疗、通信、环境监测等多个领域，然而，传统的紫外光探测器在集成度、灵活性等方面仍面临挑战。而低维宽禁带半导体材料的发展为解决这些问题提供了新的途径。

近日，来自中国复旦大学的方晓生教授领导的研究团队在Nature Reviews Materials上以Low-dimensional wide-bandgap semiconductors for UV photodetectors为题发表综述文章，深入探讨了面向紫外光探测器的低维宽禁带半导体材料的应用、机制以及器件设计等方面的挑战和机遇。

图1. 紫外光光电探测器的应用和发展。

图源：Nat Rev Mater (2023).

紫外光探测器在医疗、通信、环境监测等领域具有广泛的应用前景。其在光信号传输方面的应用仅仅是众多潜在应用中的一个方面。紫外光探测器作为光电子技术领域的关键组件，为我们实现更多高级功能和创新应用提供了可能性。

医疗领域是紫外光探测器的一个重要应用领域。人们早在19世纪就开始研究紫外光，它在医学领域有着广泛的应用。紫外光可以被用于医学成像，例如皮肤疾病的检测和诊断。此外，紫外光还可以被用于光疗，如治疗皮肤疾病和癌症。紫外光探测器的高灵敏度和高分辨率使其在医学成像和诊断中发挥着重要作用。另外，紫外光还可以用于生物分子的检测和研究。生物分子在紫外光下有着特定的吸收谱，可以通过紫外光探测器进行检测和分析，从而在生物医学领域产生重要的应用。

而在通信领域，紫外光探测器也有重要应用。随着通信技术的不断发展，光通信正成为一种重要的通信方式。而紫外光通信由于其特殊的传播性质，在特定应用场景下具有独特的优势。紫外光可以实现非直线传播，穿透一些障碍物，适用于一些特殊的通信环境。此外，紫外光通信还具有较低的背景噪声，能够实现更高的数据传输速率。因此，紫外光探测器在紫外光通信中扮演着关键的角色。它们可以将紫外光信号转换为电信号，实现数据的传输和接收。

此外，环境监测是另一个紫外光探测器应用的重要领域。紫外光可以用于监测大气中的污染物，如臭氧、二氧化硫等。这些污染物在紫外光下有着独特的吸收光谱，可以通过紫外光探测器进行监测和分析。这种方法在环境监测中具有高灵敏度和高准确性，有助于实现环境保护和污染物的监控。此外，紫外光还可以用于水质监测。许多水质污染物在紫外光下有着特定的吸收特性，可以通过紫外光探测器进行检测，从而实现对水质的监控和评估。

近年来，紫外光探测器的应用领域不断拓展，不仅局限于光信号的传输，还在弱光探测、高增益器件、透明柔性电子学和光电子学等领域发挥着重要作用。在弱光探测方面，紫外光探测器的高灵敏度使其能够探测微弱的光信号，例如夜晚的星光和微弱的生物荧光。在高增益器件方面，紫外光探测器的高增益性能使其在弱光条件下具有出色的性能。透明柔性电子学是未来电子学发展的重要方向，而紫外光探测器的透明性和柔性使其在这一领域具有广阔的应用前景。另外，在光电子学领域，紫外光探测器不仅可以用于光信号的检测，还可以与其他光电子器件结合，实现更复杂的光电子功能。

图2. 有序组装大面积单晶低维宽禁带半导体及其基本机制。

图源：Nat Rev Mater (2023).

为了获得高性能的紫外光探测器，研究人员开始关注有序组装大面积单晶低维宽禁带半导体材料。这种有序组装的方法在光电子技术的领域中具有重要意义，因为它可以显著提升紫外光探测器的性能，为我们开辟了一条实现更高性能和更创新应用的道路。

在紫外光探测器的研发过程中，有序组装技术逐渐受到研究人员的关注。这种技术可以通过多种方法实现，如外延生长、自组装技术等。外延生长是一种常见的有序组装方法，它通过在晶体衬底上逐层生长晶体，从而形成大面积的单晶结构。自组装技术则通过材料自身的相互作用，实现有序的排列和组装。这些方法都可以获得高质量的晶体结构，从而提高光电探测器的性能。

在有序组装的过程中，需要考虑晶体生长的方向性、结晶界面的质量等因素。晶体的生长方向性对于最终的晶体结构和性能具有重要影响。通过调控生长条件和衬底材料，研究人员可以控制晶体的生长方向，从而获得特定方向性的晶体结构。此外，结晶界面的质量也是影响晶体性能的关键因素。优质的结晶界面可以减少缺陷和杂质，提高载流子传输效率，从而提高光电探测性能。

通过有序组装技术，可以获得单晶低维半导体材料，从而提高紫外光吸收、载流子传输和光电探测性能。低维宽禁带半导体材料具有特殊的电子结构，其电子能级在不同维度上的限制效应使其在光电探测中表现出独特的性能。通过控制材料的维度和结构，可以调控电子结构，进而调节光电探测器的性能。例如，通过调控材料的厚度，可以实现特定波长范围内的高吸收率，从而提高光电探测器的灵敏度。

此外，有序组装技术还可以实现载流子传输的优化。低维材料具有高载流子迁移率，这意味着载流子在材料中的移动速度较快。通过有序组装，可以获得更长的载流子传输路径，减少载流子的复合损失，从而提高光电探测器的响应速度和效率。

图3. 紫外光光电探测器的器件设计。

图源：Nat Rev Mater (2023).

紫外光探测器的器件设计是实现高性能和多功能的关键。在光电子技术领域，器件设计的精妙与创新直接决定了光电探测器的性能水平和应用潜力。在这一领域，不仅需要对材料、结构和工作原理有深入的理解，还需要将各种因素有机地融合在一起，以实现紫外光探测器的优越性能。

在器件设计的初步阶段，选择适合的半导体材料是关键一步。半导体材料的选择直接影响到紫外光探测器的光吸收率和灵敏度。由于紫外光较短波长，选择能够在紫外光范围内高效吸收的半导体材料至关重要。例如，一些低维宽禁带半导体材料在紫外光范围内具有较高的吸收率，使其成为优秀的候选材料。此外，考虑到载流子传输效率对于光电探测器性能的影响，选择具有高载流子迁移率的半导体材料也是至关重要的。

器件结构的设计是紫外光探测器性能的另一个关键方面。在设计过程中，可以考虑引入多种层次的结构，如探测器层、电极、载流子收集区等。这些结构的优化可以提高载流子的传输效率和光电探测的效率。此外，创新性的结构设计也可以通过调整能带结构、电子能级分布等，来增强紫外光探测器的性能。例如，通过引入低维结构，可以增强载流子在材料中的移动性，从而提高探测器的响应速度和灵敏度。量子结构的引入可以实现能带调控，进而提高光电转换效率。

在器件设计的过程中，工作原理也是需要充分考虑的因素。根据不同的工作原理，可以选择合适的器件结构和材料，以实现特定的性能要求。例如，基于光电效应的紫外光探测器可以利用半导体材料的能带结构，在光子的激发下产生载流子，并在电场的作用下产生电流。而基于内光电效应的探测器则可以利用材料内部的光激发过程，实现高效的光电转换。

通过优化器件设计，可以实现高灵敏度、高分辨率、低噪声等性能指标，以满足不同应用场景的需求。在医疗领域，高性能的紫外光探测器可以用于医学成像和疾病诊断，提供精确的生物信息。在通信领域，优异的性能可以实现高速、稳定的通信传输，拓展通信技术的应用范围。在环境监测方面，高灵敏度的探测器可以监测微弱的紫外辐射，实现精确的环境监测。在透明柔性电子学和光电子学领域，紫外光探测器的多功能性可以实现更加智能化和便携化的设备。

综上所述，紫外光探测器作为光电子技术领域的重要组成部分，正逐渐展现出广泛的应用前景。通过有序组装大面积单晶低维宽禁带半导体材料以及优化器件设计，可以实现更高性能和多功能的紫外光探测器。未来，随着科技的不断发展，我们有理由相信，紫外光探测器将在各个领域为现代科技和应用领域带来更多可能性。

参考文献：Li, Z., Yan, T. & Fang, X. Low-dimensional wide-bandgap semiconductors for UV photodetectors. Nat Rev Mater (2023). https://doi.org/10.1038/s41578-023-00583-9

转自：“i学术i科研”微信公众号

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