由于大气吸收低、传输范围广和卓越的隐身能力，以1550 nm为代表的电信波长光探测在民用和军事领域都具有至关重要的意义。作为一种新型光敏设备，与需要匹配带隙的沟道材料来激发束缚态电子的光子型探测器不同，光热电（PTE）探测器通过结合光热和热电效应的能量转换过程来产生电信号输出。PTE探测器在宽光谱响应和自供电能力方面的优势使其在电信波段光探测领域取得了重大进展。PTE探测器通常基于塞贝克效应工作，由非对称器件构造或塞贝克系数（S）的不均匀性建立的温度梯度，从而导致沟道内电荷载流子的定向扩散。从公式 I = SΔT/R 可以看出，在相同的温度梯度（ΔT）下，产生的光电流（I）主要由材料的固有电阻（R）和塞贝克系数（S）决定。因此，寻找具有高塞贝克系数和高载流子迁移率的材料对于实现高效光热电流生成至关重要。受益于独特的物理和化学性质，二维（2D）材料在光电子器件、传感器、能量存储和光伏器件中展现出广泛应用。特别是在纳米尺度光热电能量转换方面，它具有无与伦比的优势，如强光物质相互作用、受限热传输和弱电子散射，这使它们成为微型化PTE探测器的理想材料。迄今为止，已报道了大量具有高环境热到电能转换效率的2D热电材料，包括MoS₂、PdSe₂、SnSe、Bi₂O₂Se、BP等。 在早期的研究中报道了新兴2D层状半导体SnP₂Se₆，它展现出优异的栅极可调电学和光电特性，并具有出色的空气稳定性。内在的空间反演对称性破缺导致其在电信波段极佳的二次谐波产生效率，在光电片上融合领域具有重要的应用潜力。此外，其栅压可调的电学和热电物理性能也使其成为高能量转化效率光热电探测的令人兴奋的选择。这些特性使其成为实现高能量转换效率光热电探测的令人兴奋的选择。因此，深入研究2D SnP₂Se₆的热电特性并扩展其在高性能PTE探测器中的应用，在基础和实际应用方面都具有重要意义。
据麦姆斯咨询报道，近日，哈尔滨工业大学（深圳）的秦敬凯副教授和徐成彦教授团队在InfoMat期刊上发表了题为“Two-dimensional SnP₂Se₆ with gate-tunable Seebeck coefficient for telecommunication band photothermoelectric detection”的论文。这项研究实验测量了2D SnP₂Se₆的热电性质，并展示了用于电信波段探测的双栅极构型高性能PTE探测器。纳米厚度的2D SnP₂Se₆是通过机械剥离从化学气相输运（CVT）方法合成的块状晶体中获得的（块状晶体由昂维提供）。借助温度依赖的拉曼光谱，确定了2D SnP₂Se₆的厚度相关热导率为1.4–5.7 W m⁻¹ K⁻¹（如图2）。2D SnP₂Se₆的热电性质可以通过栅极电压有效调控，在室温下，零偏压塞贝克系数和功率因子估计分别高达-506 μV K⁻¹和207 μW m⁻¹ K⁻²（如图3）。
图2 2D SnP₂Se₆的热导率测量
图3 2D SnP₂Se₆的热电输运和塞贝克系数测量
此外，这些优异的性质也使得基于2D SnP₂Se₆的双栅极PTE探测器的实现成为可能，在1550 nm光照下，该探测器实现了高光响应度（R = 1.2 mA W⁻¹）和探测率（D* = 6 × 10⁹ Jones）（如图4和图5）。基于PTE效应工作的SnP₂Se₆探测器有潜力克服材料带隙的限制，在电信波段光探测方面具有重要前景。图4 基于双栅极SnP₂Se₆ PTE光电探测器的电信波段探测性能
图5 双栅极SnP₂Se₆ PTE光电探测器的机理
综上所述，这项研究首次研究了2D SnP₂Se₆在室温下的热电性质。其相对较低的热导率（3.6 W m⁻¹ K⁻¹）、高载流子迁移率（18 cm² V⁻¹ s⁻¹）和大塞贝克系数（−506 μV K⁻¹）使得基于PTE效应的1550 nm光探测成为可能。受益于物理性质优异的栅极电压可调性，双栅极构型的器件展现出了出色的响应度和探测率，分别为1.2 mA W⁻¹和6 × 10⁹ Jones。因此，该研究提供了一种局部调控2D材料的热电性质的有效方法，为设计用于电信波段光学探测的高性能光电探测器开辟了新途径。
https://doi.org/10.1002/inf2.12600
《新兴图像传感器技术及市场-2024版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》
