以下文章来源于光电e+ ，作者红外与激光工程

导读

二维材料具有优异的光响应特性，在新型的红外探测技术中展现出了很高的应用潜力。在二维材料红外探测器中，通过引入局域场调控的方式，能够显著提升其红外探测性能。本文介绍了一种基于光热电效应的红外探测技术，该技术结合了双层旋角石墨烯形成的摩尔超晶格结构。摩尔超晶格的形成使体系的塞贝克系数产生变化，从而使光照激发的热载流子浓度在空间上形成梯度变化，通过高分辨度的光电流显微镜探针可以探测双层石墨烯内单个摩尔晶胞的光电响应，从而获得体系的高分辨率光电流空间分布。该技术展示了旋角电子学在光电探测领域的前景，为未来的单光子探测器提供了一种设计思路。

研究背景

二维材料红外探测器的局域场调控技术主要包含局域电场、光场以及温度场调控。其中，局域电场包括引入铁电场、浮栅、分裂栅、层间内建场等，例如，选取具有双极型的单层二硒化钨，在六方氮化硼电介质下方构建分裂栅电极，通过两侧电极不同的栅压配置，调控两电极附近区域的载流子类型和浓度，可实现了二硒化钨p-n、n-n、p-n、p-n四种结偏置状态。由于p-n结具有的整流特性，在相同偏置电压下，流过p-p、n-n结的电流是p-n、n-p结的1000倍以上，在此状态下工作的光电探测器具有极低的暗电流，器件的开关电流比显著提高；局域光场调控手段包括耦合光波导、陷光微腔、等离激元共振增强，通过提高二维材料对入射光的利用率获得场增强作用，从而提升器件的光电响应。

图1 分裂栅电极结构调控同质二硒化钨的结偏置状态

局域温度场调控技术，是基于二维材料中的光热电效应，通过光照产生非平衡热载流子，在材料中形成温度梯度分布，进而实现热电转换。这一技术与备受关注的旋角石墨烯密切相关：作为一类独特的调制手段，通过特定的旋转角度堆叠双层石墨烯，可以形成摩尔超晶格，使体系的塞贝克系数发生变化，从而使器件的光响应特性发生变化。基于此，Koppens等通过近场红外扫描光电流显微镜探测旋角石墨烯中的光电流、载流子密度空间分布，揭示了体系的光热电响应规律，展示了石墨烯摩尔超晶格在新型红外探测技术上的巨大潜力。

主要内容

当两层石墨烯间的旋角小于0.1°时，形成的摩尔晶格周期在100 nm量级，与石墨烯中固有的红外等离子体极化波长相当，使得该体系成为一种独特的光子晶体，被称为“最小旋角双层石墨烯”（minimally twisted bilayer graphene, mTBG）。Koppens等通过机械剥离、干法转移在Si/SiO2衬底上制备了hBN/mTBG/hBN的范德华异质结， 其中双层石墨烯间旋角为0.1°。器件底部由用于探测光电流信号的金电极以及调控载流子浓度的Si背栅构成。实验中，施加栅压使石墨烯中的掺杂浓度达到5 × 1012 cm−2。位于器件上方的近场红外扫描光电流显微镜的探针尖端半径为20~30 nm，将能量为188 eV的红外激光聚焦于探针尖端，此时温度达到数千开尔文，产生的热量在100 nm量级的长度范围内传播，产生温度梯度，并使得由光热电效应产生载流子（电子）浓度梯度在空间上形成电荷传输。扫描探针附近的摩尔超晶格畴域，可得到纳米级分辨率的局部光场诱导的光电流空间分布。

图2 旋角双层石墨烯近场纳米成像的示意图

通过适当的栅极电压调制，测试结果表明器件中光电流的空间分布具有高度周期性。由于石墨烯的旋角存在一定的局部变化（0.01°~0.1°），在器件不同区域周期表现为100~1000 nm间不等。最小旋角双层石墨烯中产生由窄畴壁（6~9 nm）分隔的AB/BA伯尔纳型三角形周期结构，使得光电流在畴壁边界两侧发生符号反转。为了验证光热电效应带来的影响，Koppens等引入了理论模型进行对比。在该模型下，当尖端产生频率为ω的电场，器件中感应出相应的振荡电流密度，电子气中产生焦耳热，其功率密度与电流的平方成正比。热量在器件中以一定的冷却长度进行传播，并通过塞贝克-珀尔贴效应在塞贝克系数梯度下产生净电流。获得的塞贝克系数空间分布显示，塞贝克系数在畴壁附近急剧下降。通过塞贝克系数分布得到的光电流空间分布，与实验结果拟合，结果显示两者具有高度的一致性，验证了双层旋角石墨烯中光热电效应主导的光响应特性。

结论

该工作揭示了旋角石墨烯结构在新型光电探测技术领域的前景。为了将mTBG的这一特性应用至光电探测中，可以将电子显微镜探针替换为纳米级金属棒，将光照下的电流信号收集并提取至外部电路。同时，通过改变两层石墨烯间旋角的大小，可以调节摩尔晶格的周期性尺寸，使光电流符号反转的区域长度进一步缩小，使得未来的单光子探测器应用成为可能。

作者简介

作者简介：孙侨东，男，毕业于华中科技大学光学与电子信息学院，硕士，从事以二维材料为基础的新型光电、自旋电子器件研究。

导师简介：叶镭，男，华中科技大学光学与电子信息学院教授，博士生导师，主要从事二维半导体光电器件及其片上集成研究。

联系方式：leiye@hust.edu.cn

原文链接：

http://www.irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20211118（阅读原文）