近日，中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室王建禄、胡伟达等研究人员将具有热释电功能的铁电材料与低维半导体材料相结合，综合利用两类材料多机制耦合及多效应融合，在超宽光谱探测方面取得重要进展，实现了从紫外-可见-短、中、长波红外超宽谱段覆盖的探测功能原型器件。研究结果以“Multimechanism Synergistic Photodetectors with Ultrabroad Spectrum Response from 375 nm to 10 μm”为题发表在《尖端科学》Advanced Science (Adv. Sci., 2019, 6: 1970089) 期刊，影响因子15.804，并被编辑遴选为当期封面文章。
红外探测技术在军事和民生等各个领域都具有重要应用，随着应用需求的不断增长，红外探测技术正朝着超灵敏、高分辨、宽光谱的方向发展。其中，拓展响应光谱范围，同时提高灵敏度对于应对复杂环境下的信息智能获取具有重要意义。红外探测器根据探测原理又可分为两大类，一类是基于红外辐射的热效应，利用红外辐射引起温度变化敏感的探测器，称为“热（敏）探测器”；另一类是光电效应，利用材料电子直接吸收红外辐射而发生输运状态的改变，这种基于红外辐照改变电学性质的探测器，称为“光电/子探测器”。
热释电探测器是通过监测由于红外辐射引起敏感元表面电荷随温度变化来探测红外辐射的器件，属于一类典型的热探测器。此类探测器探测辐射波长范围广、室温工作、体积重量及价格上具有优势。制约该类器件性能主要因素在于高效热隔离、放大读出电路引入的噪声及时间常数等。低维半导体材料因独特的低维结构和优异的光电特性受到广泛关注和快速发展，在用于光电探测时，具有小尺寸、低功耗、高灵敏等优势。然而，由于吸收效率低，导致低维半导体材料在红外探测领域受到极大限制。
研究人员将铁电材料与低维半导体材料相结合，构建场效应晶体管结构，并将器件制备在超薄的聚酰亚胺衬底上（厚度仅为1.7 μm），有效改善器件热隔离。在该结构中，低维半导体二硫化钼（MoS2）为沟道材料，有机铁电聚合物聚偏二氟乙烯（P(VDF-TrFE)）为栅电介质。通过铁电材料与低维半导体材料的多机制耦合及多效应融合，探测器的响应光谱范围可连续地覆盖紫外至长波红外波段（375 nm-10 μm）。其中，在中波至长波红外波段，器件的光响应主要源于铁电材料的热释电效应，而低维半导体则用于读出并放大由红外辐射引起的热释电电流，具体器件结构及原理如图1所示。因此，通过铁电材料的热释电效应与低维材料的半导体特性及界面特性相结合，使器件在该波段的灵敏度得到极大提升。在紫外至近红外波段，通过对器件结构和制备工艺的改进，延续课题组在该领域之前所做的研究工作（Advanced Materials, 2015, 27, 6575），器件性能得到进一步提升，并成功获得对可见光目标的单元成像。综上，这项工作融合了铁电材料的热释电效应、极化特性以及低维材料的半导体特性、光电导效应、场效应等，通过多种物理机制相互协同，从而实现了具有高性能的超宽光谱响应探测器。这项工作中涉及的工艺方法简单、稳定，为研发大面积柔性室温宽光谱焦平面器件奠定了基础。
该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和上海市科委的经费支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.201970089
器件结构及原理示意图
该论文被遴选为当期《尖端科学》杂志封面文章
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