[论文解读] Photonic Devices Based On Black-Phosphorus and Combined Hybrid 2D nanomaterials

Leonardo Viti, Miriam S. Vitiello|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2018

2D Materials and Applications参考文献 77被引用 4

一句话总结

本文综述了基于黑磷（BP）的光子器件，突出其在太赫兹探测器、可饱和吸收体和高速光电探测器等高性能、室温应用中的潜力。利用BP可调带隙和强各向异性的特性，该研究展示了异质外延二维异质结构如何精确调控载流子与光子，为下一代光电子器件提供了一种可扩展、溶液法制备的替代方案，以取代传统外延半导体。

ABSTRACT

Artificial semiconductor heterostructures played a pivotal role in modern electronic and photonic technologies, providing a highly effective mean for the manipulation and control of carriers, from the visible to the far-infrared. Despite the exceptional versatility, they commonly require challenging epitaxial growth procedures due to the need of clean and abrupt interfaces, which proved to be a major obstacle for the realization of room-temperature (RT), high-efficiency devices, like source, detectors or modulators. The discovery of graphene and the related fascinating capabilities have triggered an unprecedented interest in devices based on inorganic two-dimensional (2D) materials. Amongst them black-phosphorus (BP) recently showed an extraordinary potential in a variety of applications across micro-electronics and photonics. With an energy gap in-between the gapless graphene and the larger gap transition metal dichalcogenides, BP can form the basis for a new generation of high-performance photonic devices that could be engineered from "scratch" like transparent saturable absorbers, fast photocounductive switch and low noise photodetectors, exploiting its peculiar electrical, thermal and optical anisotropy. This paper will review the latest achievements in black phosphorus-based THz photonics and discuss future perspectives of this rapidly developing research field.

研究动机与目标

• 探索黑磷（BP）作为可调谐、各向异性的二维半导体在光子应用中的潜力。
• 通过提出溶液法制备的二维材料作为可扩展替代方案，解决传统外延异质结构的局限性。
• 综述基于BP的光子器件的最新进展，包括光电探测器、调制器和可饱和吸收体。
• 探讨通过界面工程增强器件性能的二维异质异质结构的作用。
• 识别实现室温、高效率光子器件在BP和二维材料方面面临的关键挑战与未来研究方向。

提出的方法

• 系统综述关于黑磷及其异质结构在光子应用中的实验与理论研究。
• 分析基于其他二维材料（如过渡金属硫族化合物、石墨烯）与BP的垂直和横向异质结构的器件架构。
• 评估BP中的电学、光学和热学各向异性，以解释其在光电探测器和调制器中的性能优势。
• 通过能带结构工程调节BP基异质结构的带隙，实现从可见光到远红外频率的运行。
• 评估报告的BP基器件中的器件性能指标，如响应度、探测度和响应时间。
• 从可扩展性和室温运行角度，比较BP基器件与传统III-V族及石墨烯基系统的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用黑磷实现高性能、室温光子器件？
• RQ2 BP的各向异性电子与光学响应相较于石墨烯和其他二维材料有何优势？
• RQ3 混合二维异质结构如何增强光子器件中的载流子输运与光-物质相互作用？
• RQ4 在室温下实现稳定、高效率BP基器件的关键挑战是什么？
• RQ5 在集成光子学中，未来可设想的基于BP和其他二维材料的器件架构有哪些？

主要发现

• 黑磷具有可调谐的直接带隙（0.3–2.0 eV），在石墨烯与过渡金属二硫属化物之间起到桥梁作用，可实现从可见光到远红外频率的运行。
• 基于BP的光电探测器在中红外波段表现出高响应度（最高约100 A/W）和高探测度（最高约10^13 Jones），响应时间处于纳秒量级。
• 如BP/石墨烯或BP/MoSe2等混合二维异质结构，可实现增强的载流子分离并减少复合，从而提高器件效率。
• BP中强烈的面内各向异性可实现偏振敏感型光电探测，为集成光子电路提供新颖功能。
• 基于BP的可饱和吸收体可在通信波段实现锁模光纤激光器，展示出亚皮秒脉冲生成能力。
• 尽管结果令人鼓舞，但在环境稳定性与界面质量方面仍存在挑战，影响器件长期性能与可扩展性。