資料來源:先進設備與儀器

近年來，二維(2D)層狀晶體的特殊結構和迷人的電學和光學性質引起了廣泛的關注。這種晶體的例子包括石墨烯、黑磷(BP)和過渡金屬二硫化物(TMDs)。

憑借其原子厚度、高載流子遷移率和可調帶隙，這些材料在各種應用中具有巨大的前景，並繼續引起科學界的極大興趣。石墨烯是一種由緊密排列的碳原子通過sp2雜化連接形成單層二維蜂窩晶格的晶體結構，其電子遷移率高達2×105 cm2·V−1·s−1。

然而，由于石墨烯的零帶隙和極低的光吸收率(2.3%)，其光生成載流子的壽命很短，阻礙了其器件應用。過渡金屬二硫族化合物具有寬的帶隙和相對較低的載流子遷移率(<200 cm2·V−1·s−1)，使其不適合在光電檢測領域的應用。

由于其獨特的特性，黑磷成爲一種非常有前途的紅外探測器材料。值得注意的是，它具有從0.34 eV到2.1 eV的直接帶隙。此外，基于先前的研究，黑磷具有約1,000 cm2·V−1·s−1的高載流子遷移率和105的大開/關比。這些特性進一步增強了黑磷作爲紅外探測應用的首選材料的潛力。

不幸的是，黑磷穩定性差，在室溫下在大氣中降解迅速，限制了它的實際應用。黑砷(B-As)作爲磷的同源物，與BP具有相似的晶體結構，並有望表現出優異的電學和光學性能，具有高載流子遷移率(高達103 cm2·V−1·s−1)。

先前的研究表明，B-As的帶隙高度依賴于材料厚度。具體來說，單層B-As的間接帶隙範圍約爲1-1.5 eV，而塊體B-As是直接帶隙半導體，帶隙約爲0.3 eV。

這些發現強調了在研究B-As的電子和光學特性時考慮層厚度的重要性，展示了這種材料在各種應用中的潛力。

現在，一個研究小組設計了一種基于黑磷的可見光和紅外波長雙波段光電探測器。在室溫下，研究小組通過器件的傳輸特性和電壓-電流特性發現，所制備的器件是一個n型耗盡型場效應管，並表現出良好的歐姆接觸。

這項研究發表在《先進設備與儀器》雜志上。

當入射激光光子的能量大于幾層B-As的帶隙(hv > Eg)時，可以産生光激發的電子-空穴對。當B-As器件處于偏置模式時，外加電場在界面處有效地分離光産生的電子-空穴對，並將其注入電極，從而産生光電流。該團隊的研究結果表明，光導效應是B-As器件在可見光和紅外波段的主要光響應機制。

在實驗過程中，他們發現了零偏置電壓下的微弱信號，他們分析這是由于通道上的激光光斑照明不均勻導致光熱電流。這也可能是由于電子和空穴的擴散系數不同而引起的Dember效應，導致了內嵌電場。

研究人員提供了最直觀、最有效的方法，通過掃描光電流圖來顯示産生光電流的區域，用于驗證他們的解釋。一個微弱的光電流信號在0伏偏置下從器件發射出來，證實了他們之前的解釋。在通道的相同位置增加0.01V的偏置電壓，光敏區域顯著擴大。

本研究成功開發了一種能夠在室溫下快速響應的B-As光電探測器，具有優異的雙波段光響應特性。該探測器在825 nm近紅外波長處的峰值光響應率爲387.3 mA·W−1，無需外偏置，具有1.37×108 Jones的高探測率。

在可見光到紅外光譜上的響應機制主要歸因于光導效應。這些結果不僅證實了B-As作爲窄帶隙半導體的優越光電性能，而且表明其性能可與黑磷(BP)相媲美，表明其在高速光電器件中的應用潛力巨大。最重要的是，本研究展示的雙頻探測能力爲未來室溫、寬帶光探測技術的發展奠定了堅實的基礎。