对能够在室温下自供电运行的微型便携式光敏器件的需求急剧增长，激发了科学界对开发新技术的极大兴趣，这些技术可用于遥感和通信等领域。目前，商用红外探测器通常采用传统的窄带隙半导体，但其制备复杂，还需要低温和偏压操作，增加了尺寸和功耗，从而限制其广泛应用。近年来二维材料的发现有望克服这些障碍。尽管取得了显著进展，但仍然存在重大挑战，例如暗电流过大以及电荷分离不理想。 二维材料的独特优势在于不存在悬空键，这使得范德华异质结构的构建成为可能，它所提供的增强特性超出了单个组成材料本身的特性。范德华异质结的设计可以优化特定红外波段的吸收，但其探测性和响应性仍可能受到材料本身的吸收率和载流子传输特性的限制。解决能带对齐问题不仅有利于改善载流子动力学，而且在克服有限响应率和窄光响应光谱相关问题方面也起着关键作用，从而最大限度地提高器件在光探测方面的作用。 国科大杭州高等研究院、中科院上海技物所陈效双研究员团队通过干法范德华转移过程，开发了一种基于II型范德华异质结的室温宽带红外探测器。二维半导体之间的 II 型能带排列有利于通信波段亚能带隙光子的层间激发和跃迁。这项研究证明了在由垂直堆叠的二维Ta₂NiSe₅和拓扑绝缘体Bi₂Se₃组成的II型范德华异质结中对能带排列的精确控制，通过新型量子物态——拓扑绝缘体的具有反演对称性拓扑表面态激发机制，实现了通信波段亚能带隙光子的层间激发和跃迁。室温下的实验结果显示，该器件的自供电响应率为0.48 A·W⁻¹，比探测率为3.8×10¹¹ cm·√Hz·W⁻¹，响应时间为151 µs，偏振比为2.83。最后，展示其在红外通信和成像系统中的应用，阐明可用于开发微型多功能室温红外探测器，具备卓越的性能指标和增强的多信息采集能力。这项研究以“Room-Temperature Band-Aligned Infrared Heterostructures for Integrable Sensing and Communication”为题发表在Advanced Science期刊上。
构建二维材料异质结构为增强光与物质相互作用提供了关键策略，从而推动高性能、节能且紧凑型光电探测器的发展。传统的基于二维材料的光电探测器由于本身电阻较高且存在肖特基势垒，高效收集光生载流子需要高偏置电压，这限制了其发展。图1a展示了一种基于Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃异质结构的能带排列的器件，专为红外探测及其相关应用量身定制。通过采用干法转移技术，将Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃异质结的重叠区域定位于金属电极的中心，有效缩短了光生载流子的横向传输距离，并减轻了串联电阻的影响。随后研究人员对该Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃异质结构进行了表征，相关结果如图1所示。 图1 Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃范德华异质结构及其相关表征 随后，研究人员评估了热效应对Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃异质结能带排列的影响，相关结果如图2所示。结果显示，与单个材料相比，异质结中的光电流和入射光功率之间存在更明显的线性关系，同时明显的光响应主要发生在Ta₂NiSe₅与Bi₂Se₃之间的有效重叠区域。其中图2e展示了Bi₂Se₃与Ta₂NiSe₅在接触前后的能带排列示意图，体现出II型能带排列。 图2 Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃异质结光电探测器的电学特性和能带排列示意图 在研究Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃ 异质结光电探测器的宽带光响应能力时，观察到不同激光功率下明显的光电流开关特性，相关结果如图3所示。
图3a展示了1550 nm处的光响应显示出激光功率增加和光电流增强之间的明显相关性。这种行为表明与吸收的入射光子成正比的光生载流子的产生增加。图3b进一步探讨了不同波长（520-1650 nm）下的实时光响应特性。图3e探讨了器件在4.65 μm红外辐射下的室温自供电光响应。对最小光照信号的增强探测归因于II型异质结的最佳能带对准。图3h总结了主要基于二维材料的光电探测器的性能及其最高记录。 图3 Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃异质结光电探测器在可见光到中波红外波段的光响应特性 这项研究探索了Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃异质结的偏振分辨光探测能力，利用其各向异性光学特性为红外探测增加了新的维度。
图4a说明了该Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃异质结探测器检测偏振敏感特性。 图4 偏振分辨型Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃异质结光电探测器 此外，研究人员利用基于Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃异质结的室温红外探测器的快速响应能力，开创了其在红外光通信中的应用。值得注意的是，光通信的工作窗口（关键窗口的1550 nm）均处于该器件的响应光谱范围。图5展示了光通信中新型视觉应用的实验设置及应用成果。 图5 异质结光电探测器在近红外通信和成像的应用 综上所述，这项研究成功地设计和制造了一种II型Ta₂NiSe₅/Bi₂Se₃异质结光电探测器，它可在室温宽光谱下工作，适合成像和光通信应用。与组成材料相比，该异质结表现出卓越的性能。这些成就突显了精心设计的能带排列和器件结构在提高红外探测器性能方面的潜力。
这些进步对于提高数据传输速率和图像质量，从而满足现代社会对高效通信和精确成像的需求至关重要。这项工作不仅有助于从根本上理解基于异质结构的光电探测器，还为其在从安全通信到高分辨率成像等不同领域的应用开辟了新途径。 论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202401716
