逼近下一代原子厚的光子设备

a) 器件阵列的光学图像。b) 单个器件的放大图像。首先，单层MoS2的全面积覆盖是通过固体源CVD生长的。c) 器件的横截面示意图。d) 单层MoS2样品的拉曼光谱。两个峰的存在（E′和A 1′）证实了CVD生长的MoS2的单层性质。激发的激光源为532纳米。资料来源：高级光子学研究（2023）。DOI: 10.1002/adpr.202300029

从显微镜和照相机到夜视设备和光纤通信，光电探测器有广泛的应用。光电探测器捕捉并将光转化为电信号，但往往仅限于检测波长光谱的一个狭窄部分。用于制造这些设备的材料往往阻碍了制造改进的宽带纳米级光电探测器的努力。

旧金山州立大学物理与天文学副教授AKM Newaz和他的研究生Hon-Loen Sinn的一个新装置可能会克服其中的一些挑战。在一篇新的高级光子学研究论文中，该团队和他们的斯坦福大学合作者描述了他们的光电探测器的令人印象深刻的特性，该探测器在紫外线（UV）到近红外光范围内具有更好的灵敏度。他们已经为他们的设备提交了一项临时专利，并正在进行主要专利申请。

"紫外线[ultraviolet]光电探测器对[从]生物学到空间天文学到火灾监测器的一系列应用非常有用。所有这些目前的通信渠道[使用]可见光范围和红外线，"Newaz说。"我们没有很多效率更高的紫外线光电探测器设备，所以人们不使用紫外线。"

Newaz的实验室研究原子级薄的半导体材料，如二硫化钼（MoS2），以创建宽带纳米级光电探测器。尽管MoS2显示了前景，但它在与一些设备中发现的黄金等金属对接时有缺陷。Newaz解释说，最近的研究表明，引入锡或铋等半金属可能会减轻这些干扰性缺陷。

"当你使用普通的金时，你有一个高电阻，而高电阻来自于一个被称为肖特基屏障的界面缺陷相关的障碍。......但是当你使用铋半金属时，你可以显示出该屏障消失了，"他说。"通过分析数据，你可以表明，与铋的界面是一种没有肖特基障碍的界面。"

尽管这本身并不新鲜，但旧金山州立大学的团队是第一批描述铋-MoS2装置的光电特性--例如测量光-电转换、响应时间和可扩展性的团队。

研究人员表明，引入铋使他们的装置比单独使用金的光电探测器的光敏度高30,000倍。在测试他们的光电探测器时，他们看到该装置在紫外线范围内最为敏感，并在一个宽的波长范围（380-1000纳米）内有反应。不仅灵敏度提高了，而且该装置在低功率水平下更加敏感。

"它在告诉我们，你可以通过使用一个一原子厚的半导体来制造一个极其敏感的光电探测器，"Newaz说。"如果你使用铋比典型的金或其他贵金属有更好的结果。"

他补充说，另一个关键的发现是他们的设备是快速的。它的工作频率约为10千赫兹，比其他设备快10到100倍。

"使用半金属，工业界已经在考虑将[设备]推向极小的尺寸，并且正在计划使用MoS2和铋作为晶体管，"Newaz解释说。"我们正在展示[这些相同的材料]也可以作为一个非常好的光电探测器工作。它们可以合并在一起，因此某些部分可以通过光作为极其敏感的通信工具工作，然后将信号传达给晶体管部分。"

Newaz怀疑他们的设备实际上可能更快，其速度可能落在兆赫或千兆赫范围内，这意味着该设备可能比他们在这篇论文中通过实验展示的10千赫兹快一千多倍。一个更快的装置对于更快的数据通信是必要的，在这种通信中，光电探测器将快速的光信号转换为快速的电信号。

"我们为我们的原子厚的半导体提交了一项专利，"Newaz说。"对我的实验室来说，这是一个非常自豪的时刻，学生的研究结果是申请专利，并在顶级期刊上发表。"

Newaz对这项工作感到兴奋，特别是因为它展示了三藩市州立大学学生的研究水平，并指出主要作者是他实验室的一名硕士生。"他补充说："这份出版物是博士生质量的工作，而且是由旧金山州立大学的硕士生完成的。

更多信息：Hon-Loen Sinn et al, Semimetal–Monolayer Transition Metal Dichalcogenides Photodetectors for Wafer‐Scale Broadband Photonics, Advanced Photonics Research (2023). DOI: 10.1002/adpr.202300029

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