光承载着信息，能检测到越多的光，便拥有越多的世界。从检测光信号有无获得的黑白图像，到区分信号强度获得的灰度图像，以及区分波长和强度信息获得的彩色图像，直到区分光子的自旋及偏振信息获得的量子图像，光的检测和成像始终为我们提供着现实世界的重要现象和关键过程。特别是红外光谱，包含了常温下分子振动和热辐射的特征信息，对科学研究和工业应用具有重要意义，迫切需要开发高性能、高集成度的红外光电检测和成像器件。由于其优异的性能，2D材料有望克服硅基光电探测器严重的制造成本和集成问题，为红外成像的普遍应用提供机会。目前，已有数十种二维材料被用于制造红外光电探测器。超薄的2D材料光电器件易于加工和集成，将在分子化学、光谱分析、生物医学成像、人工视网膜、环境监测、红外通信和光互连应用等领域展示超乎想象的应用。
近日，南京理工大学曾海波教授团队综述了近几年 用于红外探测和成像的二维材料方面的进展，以探索最先进的红外成像器件设计方案（论文信息附后）。首先，作者简要介绍了基于光电效应和光热效应等的红外探测原理，并讨论了两种成熟的红外成像策略，包括单像素成像（Single pixel imaging）和阵列成像（Array imaging）。而后，作者列举了可用于红外探测和成像的二维材料，包括用于宽谱探测的石墨烯类单原子层材料，用于近红外探测的VI B-VI A族材料，用于近中红外探测的V-VI族材料，用于宽谱探测的VIII-VI 族材料，以及相应的范德华异质结等。然后，作者总结了红外成像器件的设计方案，根据探测信息和探测方式不同，可以分为基于光的强度（Intensity）的单像素成像（SI）和阵列成像（AI）策略，和基于光的偏振（Polarization）的单像素成像（SP）和阵列成像（AP）策略。最后，对器件的集成设计进行了展望，以探索基于信息综合成像显示完整红外世界的可能。大量高性能材料逐渐构成红外探测的硬件设备网络，可用于基于波长、强度以及偏振信息的宽光谱全方位成像，开启夜视、气象、环境监测和医学诊断等方面的工业应用。
另外，市场上的光电探测器主要基于硅基半导体，具有高性能、高成熟度和高集成度，但它们存在高昂的制造成本，并且器件具有极大的刚性和脆性，局限于小批量、高价值的市场，这阻碍了红外探测和成像的广泛应用。二维材料具有结构紧凑、器件多样、与硅兼容、易于加工和集成、折叠灵活透明等特点，在光电探测成像领域预示着巨大的市场价值和深远的经济影响。
论文信息：
2D Material-based Photodetectors for IR Imaging
Zhongzhou Cheng, Tong Zhao, Haibo Zeng*
Small Science
DOI: 10.1002/smsc.202100051
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