近日，徐海阳教授团队在高性能自驱动紫外光电探测器领域取得系列研究进展，在《Nano Letters》和《Laser & Photonics Reviews》等国际物理与光学领域的TOP期刊上发表了重要研究论文。论文第一作者分别为星空·体育（StarskySports）官方网站21级硕士潘佳钰、23级博士闫楚欣，通讯作者分别为李远征副教授，刘为振教授和徐海阳教授等人。
随着紫外光在医疗、军事、通信等关键行业的广泛应用，对高集成度、低功耗紫外光电探测器的需求日益增长。然而，传统的高性能光电探测器大多依赖外部电压驱动，这在一定程度上限制了其在高集成和低能耗方面的应用潜力，同时也增加了运行成本。因此，开发能够在室温下自主运行且无需偏置电压的高性能光电探测器成为了当前研究领域的热点课题。
图1 利用高效载流子倍增获得近紫外区的超高外量子效率
研究团队利用二维材料独特的电学和光电特性，特别是其增强的库仑相互作用和宽松的动量守恒限制，实现了载流子倍增（Carrier multiplication, CM）效率的显著提升，即可通过吸收一个高能光子更容易产生两个或更多的电子-空穴对。与需要高功率驱动的光电倍增管相比，二维材料中由高能光子诱导的高效CM显示出构建低功耗、超高响应度紫外光电探测器的巨大潜力。研究团队通过构建基于γ-InSe/Graphene范德华异质结构的双端近紫外光电探测器，成功地将大量高能电子从γ-InSe转移到石墨烯中，无需外部冷却即可实现光电流的显著增强。这一创新设计使得光电探测器在自驱动模式下工作，不仅实现了468 mA/W的超高响应率和1.9×1012 Jones的高探测率，更将外量子效率（EQE）提升至161.2%的历史新高，是首次利用CM过程突破了自驱动近紫外光电探测器的EQE极限。本工作为构建高性能、低功耗紫外光电探测器开辟了一条创新之路，相关成果以“Efficient Carrier Multiplication in Self-Powered Near-Ultraviolet γ-InSe/Graphene Heterostructure Photodetector with External Quantum Efficiency Exceeding 161%”为题发表于国际物理领域TOP期刊《Nano Letters》(中科院一区)。
图2 高效利用高能激子实现高性能的紫外光电探测
此外，团队还深入研究了二维过渡金属硫化物（TMDs）在紫外光电探测中的应用潜力。二维TMDs具有高迁移率、强光-物质相互作用和无悬垂键的表面，并且得益于高能激子的存在，二维TMDs具备优异的紫外光吸收能力，因此被视为实现高性能紫外光电器件的候选材料。然而，由于其独特的平行能带结构，只有极少数热载流子能够驰豫到带边，并产生光电流，这严重地限制了TMDs在紫外探测领域的表现。研究团队通过设计WSe2/Gr界面处的准欧姆接触和WSe2/Au界面处的肖特基接触，形成单侧肖特基结，有效促进了高能激子的快速分离和转移，显著提升了光电探测器的性能，并利用瞬态吸收光谱（Transient absorption spectroscopy）实验证实了这一过程。该探测器在自驱动模式下同样表现出色，实现了2.6×1012 Jones的探测率和286 mA/W的高响应度，外量子效率（EQE）达到98%，接近光伏器件的理论极限。该成果为设计具有超高EQE的二维自驱动紫外光电探测器提供了一种有价值的方法，相关结果以“Highly Efficient Utilization of High-Energy Excitons in Multilayer WSe2 for Self-Powered Ultraviolet Photodetector With Near-Unity External Quantum Efficiency”为题，发表于国际光学领域TOP期刊《Laser & Photonics Reviews》(中科院一区)。
相关论文的链接网址：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01238
https://doi.org/10.1002/lpor.202400951
撰稿：李远征
初审：孟巍
复审：臧丹
终审：付申成
