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驭光而来-基于二硒化锡原子层的高性能光电探测器

栖息于大地,三样东西我们赖以生存:空气、水和光。较之空气与水,可见但无形的光让人沉迷已久:若轻波若微粒,即纤弱又强大,纵单纯亦多彩。如何才能揭开她迷人的面纱,光电探测器应运而生。光本身轻舞飞扬,捉摸不定,但是却借助她与物质的相互作用,可以将微妙的光信号转换为易于识别的电信号,并施以调控。从涟漪般的波动到单光子捕捉,无论弱如萤火还是强如X射线爆,也不管单色如激光亦或宽广如太阳光谱,光电探测器已广泛应用于射线探测、工业自动化控制、导弹制导、红外热成像以及红外遥感等。
回到我们脚下的大地,她本身是实在的物质,以各种元素组成。而数千年来,人类文明的发展总是伴随着新材料的发现。随着科学仪器的进步,各种令人惊叹的人工材料层出不穷。最近,层状的两维材料掀起材料研究的热潮。本质上说,原子层的二维材料(单层或者数层,厚度在若干纳米到少于一纳米),如石墨烯、氮化硼,过渡金属二硫属化合物(TMD)等,都属于人工材料,因为他们中的绝大多数都难以在自然界单独存在。但是,由于其层数(或者厚度)的可控性,以及奇异的物理性质,近年来,这类材料广为人们所青睐。其中,很多二维材料具备优异的光电性能,被广泛应用于光电探测器。
新加坡南洋理工大学材料学院刘政课题组应用化学气相沉积法合成出了一种新型两维材料:二硒化锡(SnSe2),并对它的特性进行了详细的阐述。不同于目前广泛研究的2H相的二维材料比如MoS2,他们合成出来的材料表现出1T相,并且与大数金属性的1T相二维材料不同,1T相SnSe2具有半导体性质。利用机械剥离可以将单晶SnSe2制作成原子层厚的SnSe2,并且进一步加工成场效应晶体管(FET)和光电探测器。测试表明,其中双层SnSe2晶体管具有大约4 cm2V-1s-1 的电子迁移率和大于103的开关比,最令人兴奋的是它的光电探测器表现出了大约2毫秒的室温响应时间,这让SnSe2跻身于最快光响应的二维材料之一。值得说明的是,实验测量得到的2毫秒的室温响应时间已经达到测量仪器的分辨下限,SnSe2的本征光光响应时间极有可能低至微秒级别。此外,包括SnSe2本身,硒化锡家族本身包含三种层状异质溶融相。所以,这个体系还有很大潜力有待挖掘。
我们相信,此项研究将会为基于1T二维材料的光电研究打开了一扇窗户,并为基于原子层二维材料的光电相互作用提供新的思路。这些驭光而来的材料,将为会纷繁妙曼的光与材料之舞谱写下新的音符。

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