小微智能傳感器在電力設備在線監測、狀態分析、故障診斷中發揮關鍵作用，是實現新型電力系統全面感知、智能決策、實時控制的關鍵基礎單元。以石墨烯、過渡金屬硫化物為代表的新型二維材料，具有原子層級厚度、強烈的光與物質相互作用，以及帶隙可調等特征，基于二維光敏材料的微納傳感器具有檢測置信度高、體積小、功耗低等優勢，在電力設備光學傳感領域具有廣闊的應用潛力。然而，二維材料吸收截面較小，光電轉換效率受限，利用光柵壓原理實現光電倍增將不可避免地犧牲響應帶寬，嚴重抑制載流子遷移效率和器件響應速度，極大限制了光電性能的優化提升。
針對上述問題，西安交通大學電氣工程學院、電工材料電氣絕緣全國重點實驗室孟國棟教授團隊聯合澳大利亞國立大學Zongyou Yin教授團隊，以鋁摻雜氧化鉿（Al:HfO2）納米鐵電薄膜作柵介質層，以WS2/石墨烯二維異質結作溝道，制備出新型高性能鐵電柵控場效應光電晶體管。
首先，利用鐵電浮柵引入的缺陷工程以及局域場增強調控的隧穿效應，既延長光生載流子壽命又抑制載流子渡越時間，有效解決了光柵壓器件普遍存在的光增益與響應帶寬的權衡問題，顯著提高了器件的探測效率和響應速度。
進一步，通過調控非易失性剩余極化場實現鐵電增強的靜電摻雜效應，有效抑制費米能級釘扎，達到肖特基-莫特極限接觸，提升載流子遷移效率，實現了晶體管選擇性的p-型摻雜和雙極性運輸。
設計完成的鐵電柵控二維光電晶體管展現了出色的光電響應性能，在零外施柵壓下，器件的比探測率和光增益分別高達2.38×1013 Jones和3.28×10?，與已報道的二維異質結器件相比，其檢測信噪比高、響應迅速、運行功耗低，為實現高靈敏、自取能的電力設備狀態監測提供了新方案。
上述研究成果以《鐵電柵控WS2/石墨烯光電晶體管》（Ferroelectric Tailorable WS2/Graphene Phototransistors）為題在國際知名期刊《納米快報》（Nano Letters）發表，西安交通大學電氣工程學院博士生折俊藝為論文第一作者，電氣工程學院孟國棟教授為論文通訊作者，澳大利亞國立大學Zongyou Yin教授為共同通訊作者，西安交通大學為本論文的第一作者單位和通訊單位。本研究工作的順利開展得到了材料學院高級工程師張朋誠，以及分析測試共享中心任子君主任、李超工程師的大力支持。
孟國棟教授現為西安交通大學“微納尺度絕緣與放電”青年創新團隊負責人，團隊長期從事電氣絕緣理論與應用、先進傳感與電力設備狀態檢測技術研究，已在Phys. Rev. Lett.、Nat. Commun.、Nano Lett.等國際知名學術期刊發表相關研究論文70余篇，申請發明專利10余項。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02241
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