紫外光電探測器在目標(biāo)跟蹤、火災(zāi)預(yù)警、環(huán)境檢測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。然而，目前主流的固態(tài)紫外光電探測器主要依賴于寬禁帶半導(dǎo)體材料，如氮化鎵、氧化鎵等，但這些材料在高質(zhì)量外延生長及p型摻雜等關(guān)鍵工藝方面仍面臨挑戰(zhàn)，限制了紫外光電探測器的發(fā)展。因此，探索基于新材料和新結(jié)構(gòu)的紫外光探測技術(shù)，突破材料帶隙的限制具有十分重要的意義。
近日，復(fù)旦大學(xué)光電研究院/材料科學(xué)系褚君浩院士團(tuán)隊王建祿教授、黃海青年研究員，聯(lián)合方曉生教授在國際重要學(xué)術(shù)期刊Nature Communications發(fā)表研究論文，報道了一種基于勢壘調(diào)控的新型深紫外光探測器。研究團(tuán)隊設(shè)計并制備了二維范德華異質(zhì)結(jié)器件光電探測器，器件采用具有高遷移率和低暗電流的少層二硫化鉬材料作為電荷傳輸層，寬光譜響應(yīng)的石墨烯作為光吸收層，并在二者之間引入六方氮化硼作為勢壘介質(zhì)層。通過光譜響應(yīng)與界面勢壘高度測量，發(fā)現(xiàn)器件的光譜響應(yīng)截止波長由界面勢壘高度決定，而非傳統(tǒng)的材料帶隙。這一發(fā)現(xiàn)突破了半導(dǎo)體材料帶隙對光譜選擇性的限制，實現(xiàn)了基于常規(guī)帶隙半導(dǎo)體材料紫外光的選擇性探測，為規(guī)避材料生長與摻雜工藝瓶頸提供了全新策略。 該器件在250 nm紫外光照（光強(qiáng)1μW/cm²）下，表現(xiàn)出高達(dá)4.4×10? A·W?¹的光響應(yīng)率和1.4×10¹? cm·Hz?¹/²·W?¹的探測率，器件對450 nm可見光的抑制比（R250/R450）超過10?。這一性能遠(yuǎn)優(yōu)于眾多寬禁帶半導(dǎo)體紫外光電探測器。憑借超高探測靈敏度，該器件可用于高精度紫外功率測量，其最小可探測紫外輻射強(qiáng)度低至0.1 μW/cm2，相比現(xiàn)有基于熱探測機(jī)制的商業(yè)功率計，靈敏度提升了一個量級。此外，該器件還可以應(yīng)用于日照紫外強(qiáng)度測量、電弧放電監(jiān)測和火焰探測等領(lǐng)域。研究團(tuán)隊通過實驗驗證，基于該器件測量的日照紫外指數(shù)與氣象機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)高度吻合，進(jìn)一步驗證其在實際應(yīng)用中的可行性。 值得注意的是，該研究還探索了勢壘調(diào)控光電探測方案的普適性。研究團(tuán)隊利用不同的光吸收層、介質(zhì)層及電荷傳輸層材料制備器件，進(jìn)一步拓展了該技術(shù)的適用范圍。其中，光吸收層可替換為金屬薄膜（金、鈀等），勢壘層可替換為原子層沉積生長的氧化鋁等，電荷傳輸層也可替換為二硫化錸等其他性能優(yōu)異的二維半導(dǎo)體材料。通過調(diào)節(jié)材料功函數(shù)實現(xiàn)界面勢壘高度調(diào)控，研究團(tuán)隊成功將器件的光譜響應(yīng)截止波長從450 nm縮短至300 nm，實現(xiàn)了日盲紫外的選擇性探測。這一成果不僅驗證了勢壘調(diào)控機(jī)理的廣泛適用性，也為進(jìn)一步優(yōu)化器件性能、開發(fā)大規(guī)模紫外光電探測器陣列奠定了重要基礎(chǔ)。 復(fù)旦大學(xué)光電研究院博士生李湘和青年副研究員李自清為論文共同第一作者，王建祿教授、黃海青年研究員和方曉生教授為論文通訊作者。研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會科技創(chuàng)新行動計劃項目的支持。 原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56886-8
圖1. (a)勢壘調(diào)控的紫外光探測器響應(yīng)率、探測率與入射光強(qiáng)的關(guān)系；(b)與寬帶隙半導(dǎo)體紫外光電探測器的性能參數(shù)對比；(c)不同時刻的日照紫外光譜測量結(jié)果；(d)測得的紫外指數(shù)數(shù)值與氣象數(shù)據(jù)（虛線）對比 （來源：復(fù)旦大學(xué)光電研究院）
