等离子体增强二维材料光电探测器的设计策略

Si、GaAs、HgCdTe等传统半导体似乎无法满足电子设备超小体积、轻量化、低功耗的发展趋势。 传统半导体的这些局限性主要源于复杂的生长条件和低温工作环境。

近年来，新型二维（2D）材料因其独特的结构和优异的物理特性，为开发室温、高速、超灵敏和宽带光电探测器提供了良好的机会。 然而，二维材料的原子厚度不可避免地带来了光吸收低的问题。

一种有前途的解决方案是将等离子体纳米材料与二维材料相结合，以增强光与物质的相互作用，这已经成为研究热点。 贵金属中表面等离激元的激发能够产生局部放大的电磁场，从而可以将附近半导体的光吸收提高几个数量级。 此外，表面等离子体激元的衰变有效地产生高能量的热载流子。

注入二维材料的热载流子不仅增加了电极收集的光电流，而且将可检测的波长扩展到半导体带隙之外。

为了理解这些混合结构和机制，有必要系统地概述等离激元增强二维材料光电探测器的设计策略，这可以为阐明每种策略的优缺点，从而优化等离激元辅助二维材料光电探测器提供全面的指导。光电检测在未来的工作中。

东南大学的研究小组详细介绍了等离子体增强二维材料光电探测器，主要重点阐明了等离子体纳米结构与二维材料之间的不同杂化模式。 第一部分介绍了等离子体增强光电探测的机制。

在这篇综述中，总结了当前在二维材料光电探测器中实现等离子体增强所采用的设计策略。 等离激元纳米结构基于局域表面等离子体共振诱导的等离激元效应而得到广泛应用，无论是在不同模式（如直接接触、分离或嵌入模式）下工作的单层等离激元纳米结构，还是支持间隙模式等离激元的空腔耦合等离激元谐振器谐振。

讨论了混合光电探测器中影响光与物质相互作用和载流子传输特性的关键因素，包括等离子体纳米结构的材料、形状、排列和放置。

此外，条纹、纳米间隙和光栅等图案化等离激元结构支持限制在金属表面近场的传播SPP波，有助于在长传播距离内​​增强金属和二维材料之间的能量耦合。

当采用基于SPP的金属电极时，远离2D材料通道的光能可以被有效地收集和吸收。 此外，还引入了其他功能光子结构/材料和等离子体增强二维材料光电探测器的协同作用，从而提高了性能和新颖的功能。

通过上述策略改进的等离子辅助二维材料光电探测器具有在广泛应用领域推动显着进步的巨大潜力。

提出了几个可能有利于等离子体增强二维材料光电探测器未来发展的潜在研究方向。

首先，等离子体结构还有很多值得探索的方面。 尽管研究人员已经研究了结构参数（形貌、密度分布等）对二维材料光电探测器性能的影响，但晶体质量等内部因素尚未得到充分探索。

其次，上述策略报道了由集成等离子体材料主导的各种不同的工作机制，而这些等离子体效应的匹配物理模型和适用条件尚未完全阐明，这对于将这些令人着迷的概念从实验室研究扩展到商业设备是必要的。

第三，金属和二维材料之间的界面工程在等离子体/二维材料混合结构中尚未得到充分探索。

工作是 发表 在《先进设备与仪器》杂志上。