文章链接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01291-0
高光谱成像对宽带光电探测的要求变得越来越高。虽然基于碲化汞镉的本征光电导体阵列代表了最灵敏和最合适的技术，但它们的光谱范围很窄，吸收边缘尖锐，将其运行速度降低到<25μm。这里，我们将带您深入了解西班牙巴塞罗那科学技术研究所的F. H. L.Koppens和R. Krishna Kumar以及他们的研究团队所取得的一项令人振奋的新进展（一对扭曲2层石墨烯异质结构中的大超宽带光电导，其光谱范围跨越 2-100 μm，在 100 kHz 的速度下内量子效率约为 40%），成果已发表在国际知名学术期刊《Naure Photonics》上，已经引起了广泛的关注。
图 1：大角度 TDBG 中的大光电导响应。
a，器件示意图，展示了所研究的由六方氮化硼（绿色）、顶部BLG（红色）和底部BLG（蓝色）晶体层组成的异质结构。箭头表示由于异质结构固有的晶体场而使双层产生间隙的位移场的方向。ε t和ε b分别指顶部和底部石墨烯层中的位移场。θ是指晶体层之间的扭转角。b，计算的吸收光谱作为原始双层石墨烯光子能量的函数。插图卡通显示了 TDBG 的能带结构。绿色和黑色箭头分别突出显示了由层间相互作用能带分裂 (A1) 和晶体场引起的带隙 (A2) 引起的共振跃迁。c，在 7.81 μm 处有（绿色）和无（蓝色）光激发的 TDBG 异质结构中测量的电阻率 ( ρ xx )作为栅极诱导载流子密度 ( n ) 的函数（吸收功率约为 30 μW，吸收功率密度约为 0.2 W μm − 2 )。左上插图：TDBG 器件的光学图像（比例尺 10 μm）。右上插图：光响应的空间图，绘制了电流( I）在照明下流过样品，作为激光光斑空间位置的函数（比例尺 10 μm）。样品是在 500 μV 下的恒定偏压操作下、在 CNP 处测量的，其中晶体场引起的固有位移场最大为11。d，响应率和量子效率绘制为直流偏压的函数。e，在 17 mV 的最佳偏压下测量的双探针光电流作为吸收功率的函数。洋红色实线表示在线性响应区域中进行的幂拟合，水平线表示不同的噪声水平。P abs，样品吸收的功率。R内部，内部响应度。插图：绘制为偏置电流 I dark函数的内部电压响应度 (V/W) 。f，在我们的 TDBG 设备中使用 QCL 激励下测量的干涉图（插图）的傅里叶变换。光电压测量被锁定到 QCL 的频率，该频率在 100 kHz 下运行，展示了器件速度的下限估计。浅绿色垂直波段突出显示了 QCL 发射的光谱范围。
图 2：TDBG 光电探测器中从红外到太赫兹波长的超宽带光谱响应。
图 3：TDBG 中的光电导性强增强。
在我们的 TDBG 设备（蓝色圆圈）中测量的光电导率 (Δ σ xx ) 作为照明功率 ( P )的函数，并与对照 BLG 样品（红色圆圈）进行比较。两个器件的间隙约为 10 meV。测量在 5 K、波长 11.07 μm 的光照射下进行。左上插图：BLG、TDBG 和设想的 3D TDBG 异质结构的示意图。在采用 3D 结构时，重要的是在两个 TDBG 层（蓝色和红色阴影分别表示底部和顶部双层石墨烯片）之间有一个绝缘层，例如六方氮化硼（绿色阴影），以维持晶体场。
图 4：光电导机制。
a，我们的设备中针对不同温度 (T) 以不同颜色绘制的测辐射热效应的模拟I - V曲线。这些数据描述了激光加热引起的 T 增加对有间隙系统的I – V特性的影响。零偏置附近的有限斜率描述了我们设备中存在的暗电流。输入参数为T = 5 K，暗电阻R暗电阻 = 10 kΩ，间隙尺寸Δ = 10 兆伏。左上插图：作为能量 (E) 函数的单个费米-狄拉克分布 (f) 以及抛物线带中电子态的相应分布。蓝色和白色阴影标记分别代表填充和空状态，而蓝色和粉色圆圈分别代表电子和空穴。右下插图：主面板中数据的导数 (d I /d V )。b ，光电导效应的模拟I - V曲线，其中光照射将载流子泵入价带和导带，具有单独的费米-狄拉克分布（电子和空穴分别为f e和 f h ）和准费米能级（E fe和E fh分别代表电子和空穴）。不同的颜色绘制出不同的照明功率。左上插图：光电导体的载流子分布图，由两个费米-狄拉克分布和相应的电子态分布表示，颜色编码与 ( a ) 相同。右下插图：主面板中数据的导数 (d I /d V )。c，实验数据绘制在不同激光照射强度下测量的I – V曲线（颜色编码与b中相同），其中λ = 11.07 μm。右下插图：主面板中数据的导数。这I – V曲线是针对与光电导效应相对应的功率增加而绘制的。灰色虚线描绘了恒定 dI/dV 区域的变窄，其功率可能是由一些额外的辐射热贡献引起的。
图 5：TDBG 中 e-h 碰撞的层间筛选。
南京迈塔光电科技有限公司针对中波红外波段设计了光电测试整体解决方案，特点如下：
特别的指示LED设计: 辅助确认不可见光的照射位置和区域大小
开关比测试设计:激光在测试过程中保持常开，利用快门及斩波器在外部调制光路的通断，保证激光功率的稳定性
软件集成:自动变光强转移/输出曲线测试，可提供带宽测试功能可提供的光源波段:3.27um、4.65um、7um等 (其他波段另议)
特征光斑尺寸:圆形光斑，直径可达40um (10X物镜)、20um (20X物镜)
这项研究工作还验证了一种罕见的本征红外太赫兹光导体，具有互补金属-氧化物-半导体兼容性。更令人振奋的是，这项研究提出了一种工程化的石墨烯光电探测器的可行途径，具有三维可扩展性。这意味着未来我们可能会看到更多创新的应用，涵盖了光电探测技术的广泛领域。
迈塔光电E1系列多功能二维材料转移实验平台可实现低维材料转移精确定点转移、多层范德华异质结制备，是研究异质结特性、空间反演对称性破缺、以及二维材料不同堆叠方式、魔角超导的有力工具。适用于石墨烯、硫化钼、黑磷等单层材料，范德华异质结，扭曲魔角异质结，纳米线/片，电极阵列等，以及5-100um的微小样品。
详情请参考公司网站：
https://www.metatest.cn/ProductInfoCategory?categoryId=307764
总之，西班牙巴塞罗那科学技术研究所的研究团队的这项研究成果是光电导性领域的一次革命性突破。他们的工作不仅揭示了扭曲石墨烯异质结构的巨大潜力，还为未来的科学研究和工程应用提供了新的方向。我们期待着看到这一领域的更多创新，它们将继续改变我们的世界。
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