可用于高性能光电探测器的新型材料

德累斯顿亥姆霍兹研究中心和德累斯顿工业大学的物理学家开发了一种完全基于金属有机框架层的光电探测器。由于这种化合物能够探测并将宽范围的光波长转换成电信号，因此它可以成为一种新型的探测材料。

数码相机以及许多其他电子设备都需要光敏传感器。为了满足这种光电元件日益增长的需求，工业界正在寻找新的半导体材料。它们不仅应该覆盖广泛的波长范围，而且应该是便宜的。在德累斯顿开发的一种混合材料满足了这两个要求。德累斯顿亥姆霍兹研究中心（HZDR）的物理博士生Himani Arora证明了这种金属有机框架可以用作宽带光电探测器。由于它不含任何成本密集型的原材料，因此可以廉价批量生产。

近二十年来，金属有机框架（MOFs）已成为人们梦寐以求的材料体系。到目前为止，这些高度多孔的物质，其中高达90%是由空旷的空间构成的，主要用于储存气体、催化或在人体内缓慢释放药物。“杜德累斯顿开发的金属-有机骨架化合物包含一种与铁离子结合的有机材料，”德累斯顿亥姆霍兹研究中心——离子束物理和材料研究所“纳米结构传输”小组负责人Artur Erbe博士解释说“它的特殊之处在于，框架形成了具有半导体特性的叠加层，这使得它在光电应用方面具有潜在的吸引力。”

该小组的想法是使用新的半导体二维金属有机框架作为光电探测器。为了进一步研究，Himani Arora研究了半导体的电子性质。除其他外，她还探索了光的灵敏度在多大程度上取决于温度和波长，并得出了一个有希望的结论：从400纳米到1575纳米，半导体可以探测到广泛的光波长。因此，辐射光谱从紫外线到近红外。“这是我们第一次证明完全基于金属有机框架层的光电探测器具有这样的宽带光电探测，”这位博士生指出这些都是在光电元件中用作有源元件的理想性能。

小的带隙有助于提高效率

半导体材料能覆盖并转换成电信号的波长谱本质上取决于所谓的带隙。专家用这个术语来描述固态材料价带和导带之间的能量距离。在典型的半导体中，价带是完全满的，所以电子不能移动。另一方面，导带很大程度上是空的，因此电子可以自由移动并影响电流。虽然绝缘体中的带隙很大，电子不能从价带跳到导带，但金属导体没有这样的带隙。半导体的带隙足够大，可以利用光波将电子提升到导带的更高能级。带隙越小，激发电子所需的能量就越小。“由于我们所研究的材料中的带隙非常小，只需要很少的光能就能产生电能，”Himani Arora解释道“这就是探测光谱范围大的原因。”

通过将探测器冷却到较低的温度，由于电子的热激发被抑制，因此性能可以进一步提高。其他改进包括优化组件配置、生产更可靠的触点和进一步开发材料。结果表明，金属有机框架基光电探测器具有广阔的应用前景。由于其电子特性和廉价的制造，金属有机框架层是一系列光电应用的潜在候选材料。

 “下一步是缩放层厚度，”阿图尔·埃尔贝（Artur Erbe）在本研究中展望说，“我们使用1.7微米的金属有机框架薄膜来制作光电探测器。如果可能的话，我们的目标是将叠加层减少到70纳米，也就是说，比它们目前的尺寸小25倍。在该层厚度以下，材料应具有可比性。如果团队能够证明在这些明显较薄的层中功能保持不变，那么他们就可以开始将其开发到实用生产阶段。”