Light | 二维范德华红外双色探测器

说明 | 本文来自论文作者（课题组）投稿

孙悟空是我国非常著名的神话人物，他在“大闹天宫”时意外获得“火眼金睛”，能够从复杂环境中识别隐藏的妖魔鬼怪。现实生活中，双色红外探测技术亦是突破传统光强度探测瓶颈，利用红外双色信息实现复杂环境中的目标识别。

近日，中国科学院上海技术物理研究所王鹏青年研究员、胡伟达研究员，复旦大学周鹏教授等人合作，利用二维材料可任意堆叠的“乐高”属性，设计了一种基于范德华异质结构的新型双色红外探测器，在单个光敏元中实现对两个波段光的同时探测，能够在复杂场景中识别特定目标，同时室温工作能力极大的降低了探测组件的体（积）重（量）和功耗，展现了范德华异质结构在小型化、智能化光电探测系统中的应用前景。

该研究以“Van der Waals Two-color Infrared Photodetector”为题发表在 Light: Science & Applications，并入选期刊封面文章。

中科院上海技术物理研究所博士研究生吴培松、华中科技大学叶镭副教授和华中科技大学博士研究生童磊为论文的共同第一作者，中科院上海技术物理研究所王鹏青年研究员、胡伟达研究员和复旦大学周鹏教授为本文的共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金、中科院青促会和上海市自然科学基金的支持。

“一个器件同时探测两个波段”，范德华红外双色探测器

双色探测是指具有两个波段或波长的探测能力，是实现在复杂环境下目标识别的有效手段之一。

“乍一看，这是个简单的‘1+1=2’的事情，其实不然。表面上看，要实现双色探测，我们可以简单的将两种器件（材料）排列，亦或是将两种芯片垂直堆叠，再或是通过光学滤光的手段实现。但是，即使不考虑材料或器件在制备上的可行性，此时获取的信息在时间或空间上存在较大的不一致性，同时后续的光学系统设计和信息处理将更为复杂；所以，这种简单粗暴的双色探测往往会造成‘1+1＜2’的效果”中科院上海技物所王鹏青年研究员解释道。

“如果能在单个光敏元上实现双色光的探测，不仅能提高器件功能的集成度，同时也在为整个探测系统减负，达到‘1+1＞2’的效果”中科院上海技物所胡伟达研究员说道。

为此，研究团队利用二维层状材料层间范德华力键合的特点，设计了一种基于p-n-p能带结构的黑磷/二硫化钼/硅（bP-MoS₂-Si）异质结红外双色探测器。bP和Si分别作为中红外和近红外吸收层，MoS₂作为电子收集层的同时，还作为阻挡层隔断两种光生少子的流通，降低双色探测过程中的电信号串扰；同时，利用薄膜Si的短波滤光作用，器件采用双抛硅背照射方式，降低双色探测过程中的光子串扰。

“保证探测器灵敏度的基础上，我们把串扰控制在0.05%以下，这是后续成功开展应用的前提保障。”王鹏解释道。

时空一致的红外双色成像

范德华p-n-p结构引入了两个方向相反的内建电场，能够完成对两个波段的光子吸收、光生载流子的分离和输运，并且这两个内建电场可以同时工作，分别输出两个波段的光响应信号。

“垂直结构实现两个波段的光同轴入射，这能保证双色光响应的空间一致性，大大降低光学组件复杂程度；两个内建电场同时工作，双色信息的获取没有时间差；这种双色探测是真正意义上时空一致。”胡伟达解释道。

复旦大学周鹏教授看好这一研究成果的发展前景，他说道“这项研究在低维材料和多维信息之间碰撞出了火花，在高灵敏、小型化基础上实现了多光谱成像，未来在无人机甚至手机上都有望看到这种智能成像芯片。”

抗疫新装备：双色红外测温仪  

随着新冠疫情的发展，防疫工作对高性能、便携式的测温设备的需求越来越迫切。公共场所的出入都需要测量体温，目前使用最广泛的是基于“热-电”机制的红外探测设备。

“这种红外测温设备通常需要尽可能的贴近我们的皮肤，而且它的工作环境温度需要尽可能稳定才能获得较准确的数值。这是因为单谱段温度测量需要知道与被测目标的距离，同时外界环境温度对热红外探测器的性能稳定性影响很大，增加了防疫人员和大众的风险。”王鹏解释道。

双色测温在一定程度上通过双波段比值的方法摒除了距离的影响，使得实测温度更加接近被测温度，同时兼具非接触式等优点。

信息化和智能化是未来红外探测技术的发展趋势，同时愈发复杂的应用场景以及不断发展的‘反探测’技术，对红外探测器提出了更高的要求。“传统通过提高探测器灵敏度、扩大焦平面规模的解决方式在现阶段已触到瓶颈，较低的工作温度和庞大的体重限制了高性能红外探测器的应用领域”胡伟达这样说道，“突破单一‘强度’探测维度，充分挖掘光信息维度在目标识别的应用潜力，同时还要保证探测灵敏度的前提下提高工作温度，只有更轻巧才能应用更广泛。”

论文信息

Wu, P., Ye, L., Tong, L. et al. Van der Waals two-color infrared photodetector. Light Sci Appl 11, 6 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00694-4