欧美直播 田宜彬教授团队与微纳光电子研究院张文静教授团队合作，在超快宽光谱光电器件研究方面取得进展，提出并构建了一种平行重叠堆叠的异质结构光电探测器，实现了紫外、可见光到近红外波段的宽光谱探测，并在保持高光响应增益的同时实现纳秒级快速响应，为新一代宽谱高速光电探测器提供一种新的设计思路。相关成果发表于纳米技术顶刊ACS Nano (自然指数期刊，IF 17.3)，博后Vijay Laxmi为第一作者，屠宇迪副研究员和田宜彬教授为共同通讯作者。

以能带结构调控实现高增益与快速响应

二维材料具有厚度薄、能带可调和易于异质集成等优势，但传统光栅控型光电探测器往往面临响应度与响应速度难以兼顾的问题：载流子陷阱可延长载流子寿命、提高光增益，但可能造成较慢的释放过程。针对这一瓶颈，研究团队设计了由 GaSe 与 MoTe₂ 构成的平行重叠堆叠异质结构，通过能带排列在界面形成势垒，使光生空穴在界面附近暂时积累，调制沟道局部电势并增强光电流。与依赖深能级陷阱的传统光栅控机制不同，该界面载流子积累过程能够在光照撤除后较快复合，从而兼顾高光增益和快速响应。

图1 GaSe/MoTe₂异质结构及能带结构计算

图2  器件结构、材料表征与宽谱光响应

覆盖 355–1100 nm，响应时间达纳秒量级

器件在 355–1100 nm 范围内呈现宽光谱响应，覆盖紫外、可见光和近红外波段。在低光强测试条件下，355 nm、615 nm 和 1095 nm 处的响应度分别达到 1.52×10³、6.32×10³ 和 8.95×10³ A/W；对应的比探测率分别为 1.36×10¹¹、5.64×10¹¹ 和 8.01×10¹¹ Jones。器件上升时间为 523 ns、下降时间为 578 ns，测得−3 dB响应带宽约为 1.0 MHz。

揭示界面光栅控效应及高速响应来源

研究团队结合光电流成像与时域响应测试，对器件内部的光生载流子输运过程进行了分析。光电流成像显示，异质界面及电极接触区域存在不同的光响应区域；结合能带分析，研究阐明了Type-I 能带排列形成的界面势垒如何促进载流子积累并产生局部栅控效应。进一步的高速测试表明，器件在不同调制频率下具有稳定的开关响应；研究还分析了低频条件下暗电流基线变化的可能来源，区分了界面快速复合与残余陷阱释放等过程。

图3  不同波长下的时域响应、上升/下降时间及频率响应

图4  紫外/可见光/近红外成像及自由空间光通信演示

多波段成像与自由空间光通信

在应用验证方面，团队利用器件开展了多波段单像素成像实验，分别在 355 nm 、520 nm和 850 nm照明下，对掩模图案进行扫描成像，成功重现了目标图案。与此同时，研究团队搭建了自由空间光通信演示系统，在 520 nm 光源下实现了 115.2 kbit/s 的数据传输，验证了该器件在高速光信号探测与接收方面的应用潜力。器件还进行了持续周期光照稳定性测试，五个月后器件仍保持约 1 MHz 的 −3 dB 响应带宽。

研究意义与应用前景

该研究的核心价值在于提出了一种通过异质界面能带工程实现高光增益—快速响应协同优化的器件设计策略。其宽光谱响应和纳秒级响应特性，使其在高速成像、紫外与近红外探测、自由空间光通信以及新型集成光电系统等方向具有潜在应用价值。研究也为利用二维材料异质结构开展光电探测机理调控和器件性能优化提供了一种可借鉴的思路。

论文信息

题目：Ultrafast High-Photogain UV–Vis–NIR Broadband Photodetection in Parallelly Overlapped Stacking Type-I GaSe/MoTe₂ Heterostructure

期刊：ACS Nano；//doi.org/10.1021/acsnano.6c13428

作者：Vijay Laxmi、Yutao Hu、Pushpendra Yadav、Danting Lin、Deepika Tyagi、Yuting Sun、Claudia Draxl、Wenjing Zhang、Yudi Tu、Yibin Tian

撰写：田宜彬

排版：陈仕发

一审一校：任露洋

二审二校：马将

三审三校：郑纯