上海技术物理研究所和北京大学的两位研究员胡伟达教授和彭海林教授最近提出了动量匹配和带对准范德华异质结构来解决二维材料红外光电探测器的低量子效率问题。结果发表在《科学进展》上，标题为“用于高效红外光电探测的动量匹配和带对准范德华异质结构”。

具有高量子效率(QE)的红外光电探测器可用于超弱光探测和量子通信。然而，QE在很大程度上受到红外吸收剂的吸收和缺陷复合以及光生载流子的收集的限制，这严重阻碍了具有高QE的红外光电探测器的制造和进一步发展。因此，总是优选具有高光电转换效率的直接带隙半导体。然而，昂贵的生长过程、低温工作条件和有毒元素等技术缺陷仍然限制了传统材料不断扩大的应用空间。此外，

二维(2D)层状材料为红外检测技术提供了新的机会，因为它们具有自然钝化的表面，并且可以堆叠成范德华(vdW)异质结构，而无需进一步考虑晶格匹配。然而，二维vdW光电探测器由于其原子级薄的性质而严重受到低QE的影响。一些策略，包括光波导、光谐振器和表面等离子体，已被证明可以增强2D光电探测器中的QE，但以牺牲器件集成度和窄光谱响应为代价。

动量匹配的vdW异质结构可以支持直接在k空间中的层间跃迁，而与直接或间接带隙半导体无关，其中一个半导体的价带最大值(VBM)和另一个半导体的导带最小值(CBM)是以布里渊区的k空间为中心。“因此，动量匹配的vdW异质结构不仅可以提高光载流子的生成率，还可以拓宽光谱响应，”胡说。

它还可以通过低晶格失配散射和无缺陷杂质来减少界面复合。重要的是，对于红外光电探测，合理的带对齐对于通过优化生成、抑制复合和改善光载流子的收集来实现高QE非常重要。没有电子和空穴势垒的II型能带排列结构是理想的。

二维黑磷(BP)的价带最大值和二维Bi2O2Se的导带最小值位于同一Г点，如图1a所示。界面处的载流子可以被激发到BP和Bi2O2Se的导带中，极大地改善了光载流子的跃迁和生成。光生电子和空穴没有看到势垒，可以在II型BP/Bi2O2SevdW异质结中有效收集，如图1b所示。最终，BP/Bi2O2的室温QE(1.3μm时为84%，2μm时为76.5%)实现了Se器件，它高于大多数报道的基于2D的器件，甚至可与商业上最先进的零偏置红外光电探测器相媲美，如图1C所示。这种高QE是由高吸收系数、自由势垒带传输和免检测界面引起的。此外，BP/Bi2O2Se器件在2μm处的极化比高达17，如图1d所示。这也优于大多数基于偏振材料或短波红外区域天线辅助结构的光电探测器。