中红外光探测技术在生物医学设备、自由空间通信和安全等现代技术中发挥着重要作用。

由于该光谱区域具有较大的消光系数，MIR光检测在安全、生物医学传感、光通信和化学传感等领域发挥着重要作用。

商用MIR光电探测器通常由带隙较窄的常规半导体制成，汞1-x光盘xTe和InSb。

然而，基于这些材料的光电探测器的性能往往存在材料合成难度大、工作温度极低、能带结构固定等问题。

二维材料由于具有高载流子迁移率、强光物质相互作用和多种电子结构而成为下一代MIR光探测器件的一个有吸引力的平台。

二维材料是由原子层状纳米薄片叠加成层状结构，层间作用力较弱的范德华(vdWs)。

在二维家族中，石墨烯、过渡金属二卤族化合物(TMDs) (MoS2， PtSe2 等)，而黑磷(BP)因其窄带隙和优异的电子性能在MIR光探测领域得到了应用。

然而，基于单一材料的光电探测器往往存在这些材料的不足，如石墨烯的光吸收弱，暗电流大，磷烯的稳定性差，这极大地限制了器件的性能。

由于相邻层间的vdWs相互作用和悬空无键面之间的弱相互作用，二维材料可以通过简单的叠加或与其他材料结合形成异质结构。

这种组合不仅局限于全二维材料，还可以将二维层与不同维数的材料结合形成混合维异质结构。

丰富的组合选择为2D/nD (n = 0, 1, 2, 3)异质结构提供了新的特性，极大地扩展了2D材料的应用范围。（图1）

（图1）

D/nD异质结构的影响

制备方法对vdWs异质结构的质量决定了相应器件的性能。常用的低维材料制备方法可分为自上而下的方法，如机械剥离、液体剥离等，以及自下而上的方法，如化学气相沉积(CVD)和分子束外延(MBE)。

一般来说，二维异质结构可以通过手工堆叠材料或手工堆叠材料来制备自底向上的方法，直接在基质上合成异质结构。

不同的二维/nD异质结构制备策略会导致尺寸、形貌、结晶度、缺陷分布等方面的差异。

由于其原子薄的厚度和vdWs层间连接，只需将不同的二维材料逐层转移叠加在一起即可构建出垂直的所有二维异质结构，适用于自上而下或自下而上的方法获得的二维材料。

由于不同维数材料的制备方法不同，单次生长制备混合维的异质结构具有很大的挑战性。因此，对于二维构件与非二维材料的集成，也需要采用手工叠加的方法。

一般手工堆垛方法可采用湿转移法或干转移法接近，为了制造异质结构，聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)通常被用来帮助转移在基材上的2D层。

PMMA层可以用*酮丙**去除，但很难完全消除，这显然会影响异质结构的质量。此外，湿转移法在构建0D和1D材料异质结构方面是可行的。（图2）

（图2）

0D/2D异质结构可以通过将合成的2D材料转移到选定的基板上，然后通过旋涂沉积0D量子点来构建。

为了提高异质界面的质量，可以在二维材料转移之前加入该溶液。为解决残基污染问题，提出了一种水辅助层转移方法，以防止残基聚合物的影响。

由于目标材料与基体表面能的差异，水可以使vdWs层分层，进行进一步的转移过程。该方法只利用水作为转移途径，导致无聚合物异质结构。

通过利用湿转移法组装了大规模的MoS2/ WSe2 逐层进行异质结构，显示出厘米级的异质结构，界面干净，材料原始性能保存良好。

另一方面，对于化学性质不稳定的材料，湿转移法无法处理，干转移法是制备异质结构的合适选择。考虑到合成方法的维数不同，通常采用干传递法来构造二维/二维和二维/三维异质结构。

在这种方法中，2D材料被热释放带(TRT)小心地剥离，然后转移到基板上。与湿移法相比，干移法相对简单，具有较好的通用性。通过PMMA干转移方法制备了石墨烯/六方氮化硼(h-BN)异质结构。

石墨烯被剥离到PMMA/聚二甲基硅氧烷(PDMS)/玻片衬底上，h-BN层被剥离到Si/SiO上2 衬底然后将两个基体连接在一起，通过冷却基体去除PMMA层。这种剥离PMMA的方法不会在石墨烯表面留下残留物。

此外，干转移还可以用于制作2D/3D异质结构，例如成功转移了MoS2 目标3D SiO2/Si衬底。所以手工堆垛方法简单、方便、成本低廉。

得到的vdWs异质结构保持了高结晶度、均匀的形貌和原始的物理性质，适合于制备实验室研究的概念验证器件。

然而，由于这些方法的特点，生长的异质结构通常尺寸增长小且不可控、形态随机、产率低、生长速度慢，限制了它们在实际器件中的应用。

逐次合成法

除了手工叠加的方法外，vdWs异质结构还可以通过在衬底上原位连续生长不同材料来制备。该异质结构可以通过直接沉积或用前驱体生长后退火工艺形成。

这种方法不仅是正确的既可合成大规模的异质结构，又可降低对界面的破坏或污染。

一般来说，根据不同维数材料的特性，采用逐次合成法可以合成1D/2D、2D/2D和2D/3D的异质结构。

在自下而上的生长方法中，CVD已被广泛用于合成高质量的1D和2D材料，CVD也逐渐被用于直接合成二维异质结构。

在放置在CVD系统上游的前驱体在生长过程中会发生汽化反应，然后在放置在下游的基板上形成目标材料。

材料成核和生长的差异导致了个体材料的连续生长。

此外，可以通过改变反应温度来研究垂直异质结构和横向异质结构的形成。

通过两步CVD提供了另一种生长界面锐利的异质结构的选择，在典型的两步CVD工艺中，第一原子层是由一步CVD制备的，然后，生长的材料将转移到另一个CVD设置，以进行后续的材料生长。

重要的是，通过CVD生长其他维度异质结构也产生了好的结果，通过调节CVD的参数，如前驱体类型、反应气氛、处理温度、反应时间等，可以控制产物的大小、形貌和层数。

CVD方法可以横向或纵向产生异质结构。

例如，利用两步CVD法，得到了WSe2/摩西2 之前沉积在SiO上的横向异质结构2/Si wafer。与一步CVD获得的异质结构相比，两步CVD生成的原子层尺寸更大(169 lm)，界面更清晰。

WSe的内部量子效率也令人鼓舞2/摩西2 基光电探测器的灵敏度高达91%。除了所有的二维异质结构外，CVD还可以直接生长一维/二维异质结构。

1D Bi2s3 纳米线/2D MoS2 在SiO上合成了异质结构2/Si衬底的一步CVD法由于储层能量需求较低，生长态铋的比例较大2s3 纳米线平行或垂直于MoS边缘形成2 层。

此外，基于一维Bi的场效应晶体管(FET)的电流开/关比2s3 /2D MoS2 是103，表明该异质结构具有良好的光电性能。（图3）

（图3）

基于二维异质结构的MIR光电探测器

二维层状材料的悬垂无键面和vdWs互联，使其可以很容易地与二维和其他二维材料(0D、1D、3D)集成，而无需考虑点阵失配。

2D/nD (n = 0, 1, 2, 3)异质结构提供了一个具有多种光学和电子性质的大材料群。通过合理的异质结构设计和能带对准，该器件可以在MIR区域表现出良好的光探测性能。

石墨烯是一种众所周知的二维半金属，具有超高迁移率和窄带隙，这使得它可以用于MIR光探测器。然而，大暗电流和光吸收效率低严重限制了其光电检测性能。

通过设计了一种石墨烯与Ti的异质结构2o3 从4.5 lm到10 lm的广泛mir -photodetector的纳米颗粒。0D Ti2o3 纳米粒子具有超窄的禁带宽度(0.09 eV)，截止波长为13.3 lm，能够吸收MIR光。

由于量子限制效应，器件的光响应与石墨烯的层数和Ti的大小密切相关2o3 纳米粒子。石墨烯/Ti的光响应2o3 当石墨烯从单层到三层变化时，光电探测器显著增加。响应速度快，响应时间可达1.2 ms。

此外，该器件具有300 a /W的高灵敏度和7 ?108 琼斯同时得益于宽带吸收钛的结合2o3 石墨烯的纳米粒子和超高载流子迁移率，远优于纯石墨烯和基于2D BP的光探测器

二维硅集成材料由于其低成本和与互补金属氧化物半导体(CMOS)的高兼容性，为实际光电子器件提供了一个很有前途的解决方案。

掺杂的硅量子点在MIR波段表现出局部表面等离子体共振(LSPR)，使其成为MIR器件的理想器件。

另有一种基于石墨烯和B掺杂Si量子点异质结构的光探测器，从紫外(UV) (375 nm)到MIR (3900 nm)具有宽带光响应，光响应率高达44.9 a /W。值得注意的是MIR光探测的探测性能优于之前的纯石墨烯光探测器。

在2.7、3.0、3.6 lm辐照下，Si量子点与石墨烯异质结构处的方形电场分布可以解释MIR区Si量子点/石墨烯器件的光探测机理。

在3 lm的光照下，电磁场明显增强，这与MIR光照下B掺杂Si量子点的最大LSPR一致。因此，具有强LSPR的掺B Si量子点作为电浆子天线，促进石墨烯层的光吸收，进而增强光电探测器的光响应。

虽然0D/石墨烯在MIR区域表现出有效的光响应，但由于石墨烯的半金属特性和相对较慢的响应速度，器件的检出率通常较低。

除了石墨烯，0D/2D半导体也为MIR光探测器件的实现提供了机会。虽然2D半导体的带隙比较大，但0D材料与2D半导体的集成将拓宽光探测范围。（图4）

（图4）

基于1D/2D的MIR光电探测器

与0D材料相比，1D家族具有更丰富的形貌，如纳米管、纳米线、纳米棒等，为构建异质结构提供了丰富的选择。

结合一维材料的强光吸收和二维材料的大载流子密度，一维/二维异质结构不仅在光检测中具有良好的应用性能，而且拓宽了检测范围。

此外，由于径向量子的存在，一维材料可以作为载流子输运通道。

一种具有快速光响应的PbSe纳米棒/石墨烯MIR光电探测器。采用热分解法制备硒化铅纳米棒，然后通过旋涂法将其转移到大规模石墨烯上。残余油胺(OLA)通过硫代乙酰胺(TAA)钝化来交换，以获得更好的性能。

所制备的PbSe/石墨烯光电探测器在3 lm的光照下，不仅表现出7.6 a /W的大光敏度，是纯PbSe光电探测器的10倍，而且响应速度超快，上升时间为28 ls。

还有一种基于Bi的光电探测器2特3 纳米线/石墨烯异质结构具有从400到2200 nm照明的宽带光检测在这种异质结构中，毕氏2特3 纳米线具有较低的光学禁带宽度(0.15-0.3 eV)，可以实现长波长的光探测，是一种很好的吸光剂。

铋的光导增益2特3 纳米线/石墨烯器件比Bi器件大2倍以上2特3 纳米板/石墨烯的异质结构，这是由于1D Bi的高表面与体积比2特3 。

此外，还还发现了一维Bi的光响应率2特3/石墨烯器件由于提高了光吸收，比仅使用石墨烯的光电探测器大得多。

除石墨烯外，新发现的贵金属二铪族化合物具有超小可调带隙、高迁移率和各向异性结构，也是MIR光探测应用的理想选择。

同时提出了一种基于二维PdSe异质结构的自驱动宽带光电探测器2 和硅纳米线阵列(SiNWA)。

SiNWA引起的强光限制效应导致PdSe产生光伏效应2/SiNWA异质结构，使器件工作在零偏置。在异质结构中，二维PdSe2 从0 eV(体积)到1.3 eV(单层)，适用于MIR区域的光检测。（图5）

（图5）

基于石墨烯的二维异质结构

二维半金属具有无间隙特性，可以对MIR照明进行光检测，但光吸收低，暗电流大，严重限制了器件性能。

采取通过二维半金属和半导体的异质结构提供了一种利用组件优势的新策略，提出了一种基于石墨烯及其氟功能化衍生物的异质结构的MIR光电探测器。

该器件不仅在紫外波段(255 nm)到MIR波段(4.3 lm)之间有较宽的光响应，而且具有较高的光响应率(约为1比纯石墨烯光电探测器高3个数量级。

这种性能可以用大量的sp来解释2 sp3 荧光石墨烯(FG)层诱导的纳米域，产生大量的量子限制态和局域态，用于捕获光载流子，从而产生宽带光响应。

同时，两种材料的光致通效应2 sp3 畴将增强器件的光响应性。通过控制好sp的尺寸和形状，可以进一步优化该装置2 sp3 纳米域。除了这种结构外，二维半金属与窄带隙材料的集成还可以实现MIR区域的灵敏光探测。

基于大规模石墨烯/铋的红外光电探测器2——Se3 ，毕氏2硒3 典型的带隙小的拓扑绝缘子(300 meV)，适用于MIR照明的传感。

石墨烯/Bi光探测器2硒3 在1.3 lm (NIR)到3.5 lm (MIR)范围内，光响应明显，MIR区域的响应率高达1.97 a /W，远高于原始石墨烯基MIR光电探测器的响应率。（图6）

（图6）

二维碲(Te)是一种新发现的二维材料，由于载流子迁移率高、光吸收强、窄带隙可调(0.35 eV-1.2 eV)、空气稳定性好应用于MIR光探测领域。

一种室温(RT)黑体敏感Te/-石墨烯光探测器的工作波长为637 nm至3.802 lm，具有快速响应时间(28 ls)和高环境稳定性，器件顶部的二维Te由于其固有的窄带隙，起到了主光吸收层的作用。

二维/nD异质结构的众多组合使其在MIR探测领域的基础研究和工业应用方面都具有巨大的潜力，其高性能概念验证器件也证明了这一点。可以预见，vdWs异质结构和器件的进一步发展将在未来导致商用MIR光探测器。

参考文献：Li H, Yang Z. Recent progress in mid-infrared photodetection devices using 2D/nD (n=0, 1, 2, 3) heterostructures[J]. MATER DESIGN, 2023,225:111446.