二维材料毕业论文

研究要点

1.首先总结了二维（2D）光电探测器中典型的光电探测机制类型。2.然后讨论了基于传统硅和III-V族化合物半导体的碰撞电离和雪崩光电探测器引起的雪崩机理。3.最后，详细介绍了一系列基于2D材料及其范德华异质结构的新兴雪崩光电探测器，及其在光子计数技术领域的潜在应用。4.回顾了最近的研究进展并讨论2D雪崩光电探测器所面临的挑战，并为2D超灵敏光电探测器（如单光子探测器）未来的研究方向提供了一些观点。

研究背景

光电探测器是当今使用最广泛的技术之一。它们已被广泛用于传感器，接收来自遥控器的红外信号的接收器，光纤连接中的光电二极管，手机或照相机中的图像传感器以及太空 探索 的焦平面阵列等领域。由常规的半导体（例如硅，InGaAs，InSb，HgCdTe等）构建的光电探测器可以检测从可见光到中长波红外的光子。在过去的几十年中，材料的研究和器件制造技术日趋成熟，使得研究具有更高检测率，较快速响应速率和高分辨率的更先进的光电探测器成为了可能。但是，在可穿戴电子设备，智能机器人技术，无人飞行器（UAV）或自动驾驶 汽车 等新兴领域，迫切需要轻巧、不冷却并且具有机械柔性的光电探测器。近几年，二维（2D）层状材料已引起光电探测器界的巨大研究兴趣，与传统的块状材料相比，它具有自钝化表面，强光-物质耦合，可调费米能级和机械柔韧性等特性。无带隙的二维层状石墨烯可以与波长范围从紫外线到微波的光发生相互作用，因此它在宽光谱范围内进行各种类型的光检测具有非常大的潜力。 然而，其无带隙的特性无法实现具有高信噪比的光电检测器。 2D过渡金属二卤化金属（TMD）具有随厚度变化的能带隙，主要在可见光到近红外范围内表现出高效的光电检测特性。对此，2D层状材料与其他nD材料（n = 0、1和3）的组合所形成的范德华异质结构，可以实现各种光电探测器。二维层状材料由于其原子尺度薄的特性从而具有较低的光吸收系数。实现载流子倍增的碰撞电离是设计具有高检测效率的二维光电探测器的有前途的策略。然而，在二维光电探测器中通过碰撞电离产生的雪崩效应尚未得到广泛研究。

核心内容

有鉴于此， 中科院上海技术物理研究所的Jinshui Miao课题组和美国华盛顿大学的Chuan Wang课题组对由二维层状材料及其范德华异质结构构成的雪崩光电探测器进行了综述，重点介绍了其在单光子计数技术领域的潜在应用。

要点1. 二维光探测器的机制

二维范德华力异质结光电探测器通常受光伏效应的支配，光伏效应是指光生载流子在异质结，同质结或肖特基结中被内部电场分离至结两端聚集产生电势差的现象。在WSe2/MoS2 p-n结中，光子在WSe2和MoS2中被吸收，从而在每一层中产生电子-空穴对。然后，电子和空穴通过内置场在整个p-n结处空间分离。最后，松弛的载流子横向扩散至源极和漏极触点，从而导致光电流。

在载流子扩散期间，可能发生层间复合这降低了2D光电探测器的效率。在这种类型的2D MoS2器件中，光电效应导致晶体管阈值电压发生偏移，因为电荷从沟道转移到附近的分子。

光电导效应归因于载流子在二维MoS2的带尾态中的俘获。在二维MoS2光电探测器中，金电极和单层MoS2具有不同的塞贝克系数。激光的局部吸收会导致MoS2通道和金电极之间结的局部加热。在独立的聚酰亚胺薄膜上制造基于2D BP的柔性光电探测器，其导热系数约为 W /（m·K）。聚酰亚胺的导热率明显低于导热率约为150 W /（m·K）的硅。入射激光会在2D BP设备下方产生局部加热点，因此由于增强的声子散射，载流子迁移率会降低，因此会导致负光电流。

要点2. 雪崩光电二极管的机制

雪崩光电二极管是一种极其灵敏的光电探测器，可以将光转换为电流或电压信号。雪崩光电二极管通常在数十甚至数百伏的相对较高的反向偏置电压下运行。在这种情况下，光生电子-空穴对通过电场加速，因此它们可以通过碰撞电离产生更多的载流子。雪崩过程仅在几微米之内发生，并且可以有效地将光电流放大较高的比例。因此，雪崩光电二极管可以用作极其灵敏的检测器。

硅雪崩光电二极管的载流子倍增因子在50和1,000之间变化。为了检测1100nm之上的红外波长，基于III-V族化合物或锗半导体的雪崩光电二极管是不错的选择。基于InGaAs的雪崩光电二极管比基于锗的雪崩光电二极管昂贵，但具有更低的噪声和更高的检测带宽。

此外，InGaAs半导体具有很高的吸收系数，这允许使用相当薄的吸收层。当雪崩光电二极管通过外部淬灭电子器件在Geiger模式下运行时，甚至可以用于单光子计数技术。硅基单光子雪崩检测器（SPAD）具有低于1 kHz的超低暗计数率和高于50％的检测效率。在实际应用中，必须使用外部淬火电子器件在短时间内将偏置电压重置为击穿阈值以下，以便可以停止雪崩过程，并且可以将SPAD用于检测另一个入射光子。

要点3. 由常规半导体制成的雪崩光电二极管

硅基单光子雪崩光电二极管

由块状硅半导体制成的SPAD显示出高量子效率（> 50％），这是因为其较厚的光子吸收层（30–50μm）。但是，厚吸收层限制了它的频率响应，因此将硅SPAD的定时分辨率限制在100 ps的水平。对于与时间相关的光子计数技术，需要使用更薄的硅（1–10μm）来将时序分辨率提高到20ps以下。但是，厚结SPAD和薄结SPAD之间需要权衡取舍。厚结SPAD通常具有较高的检测效率，但定时抖动较差（光子吸收与SPAD产生输出电脉冲之间的时间间隔的变化）；而薄结SPAD的检测效率较低，但定时抖动好。

基于III-V族半导体的单光子雪崩光电二极管

基于硅的SPAD只能检测波长高达1100 nm左右的光子，因为硅半导体的带隙为 eV。为了将检测波长扩展到电信范围，必须使用窄带隙半导体。诸如InGaAs的III-V半导体的带隙约为 eV，这是用于红外单光子检测的有前途的候选材料。基于InGaAs / InP的SPAD的代表性器件结构，i-InGaAs的带隙约为 eV，用作光子吸收层；InP的带隙约为 eV，p + -InP / i-InP同质结用作载流子倍增区。所有的InGaAs / InP SPAD均基于单独的吸收，电荷和倍增（SACM）区域结构。倍增区保持高电场以启动雪崩增益，而吸收区保持足够低的电场以最小化场感应泄漏电流。该设备通常在150至220 K的温度范围内工作，暗计数率低至3 kHz，在1至μm波长范围内的检测效率高达45％，时序抖动低至30 ps。

基于1D半导体纳米线的雪崩光电探测器

用纳米级光电导或光电器件进行检测具有相对较差的灵敏度，因此需要大的放大倍数才能检测弱光并最终检测单个光子。一维纳米线雪崩光电二极管具有超高的灵敏度，检测极限小于100个光子，可重现的高倍增倍数高达7 104。此外，一维半导体纳米线提供了将光量子点与雪崩二极管结合在一起的独特可能性，从而实现了将单个光子转换为宏观电流以进行有效的电检测。此外，一维纳米线雪崩光电二极管也可用于单光子检测。

2019年，A. C. Farrell等报道了一个新的吸收和倍增雪崩光电二极管平台，该平台由InGaAs / GaAs异质结纳米线阵列组成，用于单光子检测。InGaAs / GaAs纳米线雪崩光电二极管的暗计数率低至10 Hz，光子计数率低至 MHz，时序抖动小于113 ps。然而，InGaAs / GaAs纳米线雪崩光电二极管中的低温操作限制了其广泛的适用性。

为此，S. J. Gibson等提出了一种使用锥形InP纳米线p-n结阵列的方法，用于在室温下进行有效的宽带高速单光子检测。截断的圆锥形纳米线结构实现了宽带光响应，其外部量子效率超过85％，增益超过105，并且在20 ps以下具有出色的定时抖动。这种基于1D量子纳米线的纳米级雪崩光电探测器为量子通信，遥感和癌症治疗剂量监测等应用提供了新的可能性。

要点4. 由二维层状材料制成的雪崩光电二极管

原子厚度的2D材料因其卓越的光电性能而吸引了光电探测器界的极大研究兴趣。然而，基于2D材料的光电探测器总是受光吸收系数低的困扰，限制了它们的实际应用。为了在2D光电探测器中实现高增益，可以使用支持电生载流子倍增的碰撞电离。

此外，二维材料由于其原子薄的特性，可能在较短的有源区域（

第一作者：Sol Lee, Joong-Eon Jung

通讯作者：Kwanpyo Kim

通讯单位：延世大学物理系

IV–VI族单层硫化物家族具有原子褶皱的分层结构，其原子键构型暗示了实现各种多晶型的可能性。最近， 延世大学物理系 Kwanpyo Kim等人 在国际知名期刊 “Nano Lett.” 发表题为 “γ-GeSe: A New Hexagonal Polymorph from Group IV–VI Monochalcogenides”的论文。 他们报道了从IV-VI族硫化物家族中合成的第一个六角形多晶型，它是传统的正交晶系。合成了最近预测的四原子厚的六角形GeSe，即所谓的γ-GeSe，并通过互补的结构表征(包括元素分析、电子衍射、高分辨率透射电子显微镜成像和偏振拉曼光谱)进行了清晰鉴定。电学和光学测量表明，合成的γ-GeSe具有3 105 S/m的高电导率，与其他二维层状半金属晶体的电导率相当。此外，γ-GeSe可以直接在h-BN衬底上生长，这说明了一种自下而上的方法来构建结合了γ-GeSe的垂直范德华异质结构。新发现的γ-GeSe晶体对称性值得进一步研究γ-GeSe的各种物理性质。

图1：α-GeSe，β-GeSe和γ-GeSe的晶体结构

原文链接：

这些科学家付出了非常多，他们付出了自己陪伴家人的时间，也付出了自己的所有知识，也付出了自己毕生的心血，还付出了自己所有的时间，有些科学家甚至付出了自己的生命，所以他们付出的东西真的非常多。

在现如今的新型材料行业，石墨烯一直备受关注，乃至被称作电子设备的将来。近些年，具备众多出色特性的新型材料黑磷发展潜力迅速，有希望与石墨烯一争胜负。

中科院深圳市优秀技术性研究所，研究者喻学锋与暨南大学专家教授陈填烽等协作，制取出黑磷/氧化铋异质结，可完成恶性肿瘤的协作肿瘤放疗。

喻学锋告知《中国科学报》新闻记者：“大家团队一直秉持那样的核心理念，作出产业界认同的技术性。”

短短的2年，喻学锋团队的9项黑磷专利发明以2500万余元完成产业发展出让，并与中国磷化工行业龙头兴发集团协作开创湖北省中科墨磷高新科技有限责任公司，还得到兴发集团2500万余元横着经费预算，建立了二维黑磷协同试验室。

重新开始

37岁的喻学锋做出了人生道路中一个关键决策，舍弃武大副教授职称的真实身份南进深圳市。是啥促进他做出那样的决策呢？

“在中国香港做访问学者时，我的老师是香港城市大学朱剑豪专家教授，他40岁前一直日常生活在国外，并变成一位取得成功的创业者。之后因香港城大的基本建设必须，他返回中国香港重新开始。”喻学锋从老师的身上看到了一种坚定信念、勇于挑战的精神实质。

喻学锋在武大学习培训工作中了16年，“假如再次留到那边，将来能够 预料，便是感觉少了点挑战和刺激性。”中国香港的访学历经为他打开了一扇新的窗子，这时候，他关心到深圳市。“深圳先进院是一个新式的科研院所，给科学研究团队高昂往上的驱动力。”恰好是这类灵便、因势而变的科学研究气氛吸引住了他，因此他添加深圳先进院，并建立了微生物医用材料与页面研究所。

挖掘“黑金版”

当喻学锋信心从业黑磷科学研究时，黑磷还尚是“埋在沙子下未被挖掘的黑金版”。那时，国际性上也已开始关心这类新型材料。“但只是一年，它就快速飙升为受欢迎新型材料。大家刚好是在大伙儿都还没意识到时，就逐渐从业黑磷科学研究，并掌握国际热点。”

因为一开始就看准应用技术的科学研究，喻学锋团队早已把握了相对性完善的黑磷制取和页面管控技术性。团队在国际性上首先创建了新式有机化学液相传送和高效液相化工厂制取技术性，完成了黑磷结晶、黑磷烯和量子点技术的宏量制取并产生系列产品功能性商品；首先创建了有机化学孤电子对、正离子夹杂和缺点修补技术性，解决了黑磷可靠性难点，并完成了性能优化和运用扩展。

这支团队的产业发展速率也在国际性上一步步领跑。在大伙儿刚意识到黑磷是受欢迎原材料时，她们早已逐渐促进技术性完成产业发展。“自小试到小试，再到规模性制取，大家将学术研究和运用深层次融合，对黑磷的了解慢慢升高到更高端。”喻学锋表明。

深圳先进院优良的研究成果产业发展服务平台，也是那股“瞬时速度”的关键要素。

科技人员常常更新成效，深圳先进院都是会为研究成果方案策划报道；有兴趣的公司可以根据网上、线下推广意见反馈要求；与此同时，运用内部CRM系统软件精确挑选公司，机构线下推广盛典洽谈会等；直至最终的项目投资商谈，深圳先进院都是会在科技人员和公司中间持续“商谈”，正确引导大伙儿一同想象新技术应用的可应用领域。

喻学锋与湖北省兴发集团间的协作，最开始恰好是来源于深圳先进院为黑磷成效举办的盛典洽谈会。根据成效、销售市场、产业链、优秀人才、宣传策划等自主创新资源的大协作，深圳先进院创建起了科技人员与产业界间多层面的详细保障体系，将黑磷等前沿科技送上产业链的“摆渡”。

深圳先进院的产业发展控股子公司深圳市中科优秀资本管理有限责任公司与湖北省兴发集团、重庆市中科渝矿创业孵化器有限责任公司，三方决策一同项目投资建立湖北省中科墨磷高新科技有限责任公司。

针对湖北省兴发集团，喻学锋拥有自身的情结：“我是湖北人，根据数次触碰，这个湖北企业的老总李国璋和运营团队的理想和远见卓识触动了我，促使了协作。时候大家还将做高效益的新产品开发，例如生物技术、软性电子元器件、复合型金属催化剂等。”

得到认同

喻学锋团队紧紧围绕新式二维材料黑磷进行了系列产品科学研究工作中，依次在《自然通讯》《先进材料》《德国应用化学》等国际性权威性学术期刊论文发表30数篇，10篇毕业论文评为期刊封面文章内容，7篇毕业论文被评选为ESI高被引论文，并应邀在原材料行业的权威性学术期刊《材料科学与工程—报告》内以封面图小故事发布黑磷具体描述。

但对她们来讲，毕业论文大量地是为了更好地“广而告之”。喻学锋告知《中国科学报》新闻记者，“论文发表并不是目地，只是一个全过程。大家最先必须让他人了解我们在干什么，而且获得技术性层面的认同。毕业论文便是非常好的证实和宣传策划，让同行业和产业界见到、了解并寻找大家”。

在他眼里，发论文是连接产业界的公路桥梁，而不是科学研究团队的唯一工作中。喻学锋一直那样劝诫团队组员：“被产业界认同是大家从业应用科学科学研究的关键总体目标，要作出产业界认同的技术性。”

在这里核心理念下，喻学锋团队还积极主动推动有关技术性的产业发展过程，依次申请办理了黑磷有关专利发明30多种，团队制取的黑磷产品系列获中国全球高新科技成效展销会出色商品奖，喻学锋也因而得到了我国产学研用研究会授予的我国产学研合作成果奖、中国科技发展新势力人物奖、中科院广东省院区杰出青年生物学家奖等奖赏，他的名字也发生在2017年“广东省特支方案”自主创新高层次人才的公示公告名册里。

追忆在深圳先进院拼搏的4年，喻学锋从最开始一名任教很多年的象牙之塔专家教授，发展为现如今与黑磷产业发展发展趋势相辅随的业内知名科研工作者，深有感触。

他说道：“深圳先进院十分善于挖掘优秀人才的特性并多方面塑造，广东针对高新科技与产业链自主创新、针对优秀人才的适用幅度，也促使这片自主创新热土充斥着高昂士气。”喻学锋也期待，青年人科技人员能把握当今我国“高新科技快速增长期”的很好机会，搞好学科建设。

二维材料指的是晶体材料，或者是一种石墨材料，主要是通过研究领域方面的物理现象而产生的一种材料。