說明 | 本文來自論文作者（課題組）投稿

孫悟空是我國非常著名的神話人物，他在“大鬧天宮”時(shí)意外獲得“火眼金睛”，能夠從復(fù)雜環(huán)境中識(shí)別隱藏的妖魔鬼怪。現(xiàn)實(shí)生活中，雙色紅外探測(cè)技術(shù)亦是突破傳統(tǒng)光強(qiáng)度探測(cè)瓶頸，利用紅外雙色信息實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的目標(biāo)識(shí)別。

近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王鵬青年研究員、胡偉達(dá)研究員，復(fù)旦大學(xué)周鵬教授等人合作，利用二維材料可任意堆疊的“樂高”屬性，設(shè)計(jì)了一種基于范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型雙色紅外探測(cè)器，在單個(gè)光敏元中實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)波段光的同時(shí)探測(cè)，能夠在復(fù)雜場景中識(shí)別特定目標(biāo)，同時(shí)室溫工作能力極大的降低了探測(cè)組件的體（積）重（量）和功耗，展現(xiàn)了范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)在小型化、智能化光電探測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。

該研究以“Van der Waals Two-color Infrared Photodetector”為題發(fā)表在 Light: Science & Applications，并入選期刊封面文章。

中科院上海技術(shù)物理研究所博士研究生吳培松、華中科技大學(xué)葉鐳副教授和華中科技大學(xué)博士研究生童磊為論文的共同第一作者，中科院上海技術(shù)物理研究所王鵬青年研究員、胡偉達(dá)研究員和復(fù)旦大學(xué)周鵬教授為本文的共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院青促會(huì)和上海市自然科學(xué)基金的支持。

“一個(gè)器件同時(shí)探測(cè)兩個(gè)波段”，范德華紅外雙色探測(cè)器

雙色探測(cè)是指具有兩個(gè)波段或波長的探測(cè)能力，是實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)識(shí)別的有效手段之一。

“乍一看，這是個(gè)簡單的‘1+1=2’的事情，其實(shí)不然。表面上看，要實(shí)現(xiàn)雙色探測(cè)，我們可以簡單的將兩種器件（材料）排列，亦或是將兩種芯片垂直堆疊，再或是通過光學(xué)濾光的手段實(shí)現(xiàn)。但是，即使不考慮材料或器件在制備上的可行性，此時(shí)獲取的信息在時(shí)間或空間上存在較大的不一致性，同時(shí)后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和信息處理將更為復(fù)雜；所以，這種簡單粗暴的雙色探測(cè)往往會(huì)造成‘1+1＜2’的效果”中科院上海技物所王鵬青年研究員解釋道。

“如果能在單個(gè)光敏元上實(shí)現(xiàn)雙色光的探測(cè)，不僅能提高器件功能的集成度，同時(shí)也在為整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)減負(fù)，達(dá)到‘1+1＞2’的效果”中科院上海技物所胡偉達(dá)研究員說道。

為此，研究團(tuán)隊(duì)利用二維層狀材料層間范德華力鍵合的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于p-n-p能帶結(jié)構(gòu)的黑磷/二硫化鉬/硅（bP-MoS?-Si）異質(zhì)結(jié)紅外雙色探測(cè)器。bP和Si分別作為中紅外和近紅外吸收層，MoS?作為電子收集層的同時(shí)，還作為阻擋層隔斷兩種光生少子的流通，降低雙色探測(cè)過程中的電信號(hào)串?dāng)_；同時(shí)，利用薄膜Si的短波濾光作用，器件采用雙拋硅背照射方式，降低雙色探測(cè)過程中的光子串?dāng)_。

“保證探測(cè)器靈敏度的基礎(chǔ)上，我們把串?dāng)_控制在0.05%以下，這是后續(xù)成功開展應(yīng)用的前提保障。”王鵬解釋道。

時(shí)空一致的紅外雙色成像

范德華p-n-p結(jié)構(gòu)引入了兩個(gè)方向相反的內(nèi)建電場，能夠完成對(duì)兩個(gè)波段的光子吸收、光生載流子的分離和輸運(yùn)，并且這兩個(gè)內(nèi)建電場可以同時(shí)工作，分別輸出兩個(gè)波段的光響應(yīng)信號(hào)。

“垂直結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波段的光同軸入射，這能保證雙色光響應(yīng)的空間一致性，大大降低光學(xué)組件復(fù)雜程度；兩個(gè)內(nèi)建電場同時(shí)工作，雙色信息的獲取沒有時(shí)間差；這種雙色探測(cè)是真正意義上時(shí)空一致?！焙鷤ミ_(dá)解釋道。

復(fù)旦大學(xué)周鵬教授看好這一研究成果的發(fā)展前景，他說道“這項(xiàng)研究在低維材料和多維信息之間碰撞出了火花，在高靈敏、小型化基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了多光譜成像，未來在無人機(jī)甚至手機(jī)上都有望看到這種智能成像芯片?！?/p>

抗疫新裝備：雙色紅外測(cè)溫儀  

隨著新冠疫情的發(fā)展，防疫工作對(duì)高性能、便攜式的測(cè)溫設(shè)備的需求越來越迫切。公共場所的出入都需要測(cè)量體溫，目前使用最廣泛的是基于“熱-電”機(jī)制的紅外探測(cè)設(shè)備。

“這種紅外測(cè)溫設(shè)備通常需要盡可能的貼近我們的皮膚，而且它的工作環(huán)境溫度需要盡可能穩(wěn)定才能獲得較準(zhǔn)確的數(shù)值。這是因?yàn)閱巫V段溫度測(cè)量需要知道與被測(cè)目標(biāo)的距離，同時(shí)外界環(huán)境溫度對(duì)熱紅外探測(cè)器的性能穩(wěn)定性影響很大，增加了防疫人員和大眾的風(fēng)險(xiǎn)?！蓖貔i解釋道。

雙色測(cè)溫在一定程度上通過雙波段比值的方法摒除了距離的影響，使得實(shí)測(cè)溫度更加接近被測(cè)溫度，同時(shí)兼具非接觸式等優(yōu)點(diǎn)。

信息化和智能化是未來紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)愈發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用場景以及不斷發(fā)展的‘反探測(cè)’技術(shù)，對(duì)紅外探測(cè)器提出了更高的要求。“傳統(tǒng)通過提高探測(cè)器靈敏度、擴(kuò)大焦平面規(guī)模的解決方式在現(xiàn)階段已觸到瓶頸，較低的工作溫度和龐大的體重限制了高性能紅外探測(cè)器的應(yīng)用領(lǐng)域”胡偉達(dá)這樣說道，“突破單一‘強(qiáng)度’探測(cè)維度，充分挖掘光信息維度在目標(biāo)識(shí)別的應(yīng)用潛力，同時(shí)還要保證探測(cè)靈敏度的前提下提高工作溫度，只有更輕巧才能應(yīng)用更廣泛?！?/p>

論文信息

Wu, P., Ye, L., Tong, L. et al. Van der Waals two-color infrared photodetector. Light Sci Appl 11, 6 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00694-4