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0引言
光电探测器是能把光信号转换为电流、电压等易于测量电信号的光电传感器,无论是在国防军事、航空航天领域还是国民经济生活生产中均有着广泛的应用。光电探测器类似于人的“眼睛”,但人眼的可探测范围仅限于可见光波段(380~780nm),其他波段的光谱信息需要通过光电探测器去获取。光电探测器按照能量转化过程的不同可以分为两大类:光子型和光热型探测器。光子型探测器是将光信号直接转化为电信号;光热型探测器则是通过光辐射热改变材料的电学特性,使热信号转化为电信号,比如热电堆、测辐射热计、热释电探测器等1。在光电探测领域,传统的半导体薄膜探测器(例如Si、HgCdTe、InGaAs和InSb等)一直占据着光电探测市场的主导地位2。随着时代的发展,下一代光电探测器正朝着宽波段、高灵敏探测、超小尺寸、大面阵成像及多光谱探测等方向发展[3]。新型低维材料(零维量子点、一维纳米线和二维层状材料等)先天性特殊的结构和优异的物理性质被认为是下一代电子和光电子器件的潜力材
料[4-5,例如:近几年二硒化钨(WSe?)、黑磷(BP)、硒氧化铋(Bi?O?Se)6-8、一维纳米线锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)?-12]等低维材料均在光电器件研制中展现了出众的探测性能。而基于低维材料易于调控的特点,可进一步通过引入电场、温度场、应力场和磁场等外界作用调控低维材料的光电特性,以此来降低相关器件的暗电流,抑制噪声,提高探测性能[13]。随着材料合成技术及微纳器件加工工艺的提升,基于新材料及其复合结构的高性能器件被大量报道。已有的文献中,通常采用场效应晶体管结构研究低维材料性能,通过改变背栅电压的大小和方向调控沟道材料的载流子输运特性。但普通栅介质层提供的栅极电压一方面需要不间断供电,另一方面提供的局域场作用有限,因此寻求低维材料与其他功能材料的组合来
提高探测器整体性能是可行的途径。其中铁电材料具有自发极化特性,自发极化可以在电场作用下取向一致且极化方向可随着外电场反向而反转,外电场作
用撤离后,剩余极化可以稳定存在。而稳定的剩余极化会在界面处形成正负极化束缚电荷,同时正负极化束缚电荷能够被自由电荷所屏蔽。据文献报道,在铁电场效应晶体管中,铁电材料的剩余极化可提供超高的局域电场(10?V/m),超过了传统场效应晶体管中栅极电压所提供的电场。一方面,这种铁电强局域电场可使沟道材料载流子保持在完全耗尽状,甚至调控沟道材料的能带结构[14。另一方面,铁电局域场的作用效果是非易失性的,电场作用在栅电压撤去后依旧保持,可以降低光电器件的功耗。此外,铁电材料的种类丰富,例如剩余极化(50μC/cm2)较大的传统无机铁电材料钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BaTO?)和铁酸铋(BiFeO?),有机铁电材料聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物及其衍生物,二维层状铁电材料CuZnP?S?、α-In?Se?,新型无机铁电材料铪基(HfO?)氧化物,铝钪氮(Alo.4Sco.6N)和Mg-ZnO基氧化物等。基于铁电材料中较高的极化电场和低维材料纳米尺度的优势使得低维材料与铁电材料优势互补,为实现新型光电子器件提供了机遇。据目前文献报道,铁电材料不仅可以作为栅介质层产生局域极化电场调控沟道材料的载流子浓度,抑制暗电流显著提高光电晶体管性能,而且可以基于自身的热释电效应制备性能优异的红外热探测器。因此,文中从一维纳米线探测器、二维材料探测器和低维结型探测器三个方面介绍了铁电材料与低维材料复合结构的光电探测器,最后展望了铁电材料局域场调控低维材料与器件的发展机遇与挑战。
1铁电局域场增强纳米线光电探测器
一方面,准一维纳米线具有为载流子提供了高速的导电通道、易实现大面积生长、制备成本低、表面积体积比大且载流子浓度易于调控等优点,是实现高性能光电探测的一种可行的结构体系;另一方面,纳米线在材料制备过程中容易引入杂质和缺陷诱导高浓度的背景载流子,使得基于纳米线制备的光电器件暗电流偏高。利用栅电极的电压对铁电材料极化调控形成局域电场抑制纳米线沟道材料的暗电流,从而
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提高探测器件的灵敏度是一种可行办法。2016年,Hu等人15]率先提出利用铁电聚合物P(VDF-TrFE)薄膜作为介质层,采用侧栅结构制备磷化铟(InP)和硫化镉(CdS)单根纳米线晶体管。聚偏氟乙烯(PVDF)常见的晶型主要有四种,分别为a、β、y和δ相。理想的β相PVDF分子呈反式结构,极性最强,电偶极矩最大。但β相在室温下不是非常稳定,因此通过在PVDF中引入一定数量的三氟乙烯(TrFE)能够形成
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