等离子体增强二维材料光电探测器的设计策略

Si、GaAs和HgCdTe等传统半导体似乎无法满足超小体积、轻量化和低功耗电子器件的发展趋势。传统半导体的这些局限性主要源于复杂的生长条件和低温的工作环境

近年来，新型二维（2D）材料因其独特的结构和优异的物理特性，为开发室温、高速、超灵敏和宽带光电探测器提供了良好的机会。然而，2D材料的原子厚度不可避免地带来了低光吸收的问题

一个有前景的解决方案是将等离子体纳米材料与二维材料相结合，以增强光与物质的相互作用，这已经成为研究的焦点。贵金属中表面等离子体激元的激发实现了局部放大的电磁场，可以将附近半导体中的光吸收提高几个数量级。此外，表面等离子体的衰变有效地产生了高能量的热载流子。

注入2D材料的热载流子不仅增加了电极收集的光电流，而且将可检测波长扩展到半导体带隙之外

为了理解这些混合结构和机制，有必要对等离子体增强二维材料光电探测器的设计策略进行系统的概述，以提取和总结这些策略，这可能为阐明每种策略的优缺点提供全面的指导，从而在未来的工作中优化等离子体辅助光电探测。

东南大学的一个研究小组对等离子体增强的二维材料光电检测器进行了详细的概述，主要侧重于阐明等离子体纳米结构和二维材料之间的不同杂交模式。第一节介绍了等离子体增强光电探测的机理

然后，他们讨论了混合系统的不同结构相关耦合模式，分别大致分为LSPR引导模式、SPP引导模式和其他混合光子模式。最后，他们简要概述了有待解决的问题和未来研究工作的潜在方向。

在这篇综述中，总结了目前在2D材料光电探测器中实现等离子体增强所采用的设计策略。基于LSPR诱导的等离子体效应，等离子体纳米结构被广泛采用，其形式可以是以不同模式（如直接接触、分离或嵌入模式）工作的单层等离子体纳米结构，也可以是支持间隙模式等离子体共振的腔耦合等离子体谐振器

讨论了影响混合光电探测器中光-物质相互作用和载流子传输特性的关键因素，包括等离子体纳米结构的材料、形状、排列和放置

此外，条纹、纳米间隙和光栅等图案化等离子体结构支持限制在金属表面近场的传播SPP波，有助于在长传播距离内增强金属和2D材料之间的能量耦合

当使用基于SPP的金属电极时，可以有效地收集和吸收远离2D材料通道的光能。此外，还引入了其他功能光子结构/材料和等离子体增强的2D材料光电探测器的协同作用，从而提高了性能和新的功能

通过上述策略改进的等离子体辅助2D材料光电探测器在广泛的应用领域具有巨大的潜力

提出了几个可能有利于等离子体增强二维材料光电探测器未来发展的潜在研究方向

首先，关于等离子体结构，还有许多方面值得探索。尽管研究人员已经研究了结构参数（形态、密度分布等）对2D材料光电探测器性能的影响，但晶体质量等内部因素尚未得到充分探索

其次，上述策略已经报道了由集成等离子体材料主导的各种不同的工作机制，而这些等离子体效应的匹配物理模型和适用条件尚未完全阐明，这对于将这些迷人的概念从实验室研究扩展到商业设备是必要的

第三，在等离子体/二维材料混合结构中，金属和二维材料之间的界面工程尚未得到充分探索

这项工作发表在《高级设备与技术》杂志上；仪器仪表