二維層狀半導體憑借原子級平整的表面與高度可調的電子結構，為微型化高性能光電探測器提供了理想的材料平臺。其中，低對稱性過渡金屬硫族化合物ReSe?具有顯著的面內光學吸收與輸運各向異性，是構建偏振敏感光電探測器的熱門材料體系。然而，本征ReSe?器件的光譜響應主要集中在可見光區，近紅外波段的吸收與光電轉換效率有限，且實現高響應度通常需要外加偏壓，不符合低功耗應用趨勢。已報道的ReSe?基異質結探測器雖在單一維度上提升了性能，但始終面臨高響應度、快響應速度、高偏振比三者難以兼顧的固有權衡。如何在結構簡潔的單一器件中同時實現自供電、寬帶、高速與高偏振靈敏度，是二維偏振探測器領域亟待突破的核心挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，近日，南京理工大學、南京郵電大學和南通大學組成的研究團隊提出一種基于ReSe?/Ta?NiSe?范德華異質結的新型光電探測器，在簡潔的器件架構中同時實現了自供電工作、寬光譜響應、高速響應與本征偏振敏感特性。該工作利用面內各向異性的ReSe?與窄帶隙Ta?NiSe?構建異質結，借助界面內建電場的光伏效應，在零偏壓下實現了375~850 nm的寬帶探測；532 nm波長處響應度達0.381 A/W，比探測率5.71×10? Jones，上升/下降時間僅44/70 μs。更具特色的是，器件偏振響應對兩材料的相對堆疊構型高度敏感，主軸平行堆疊構型下零偏偏振比可達1.83，并成功驗證了偏振分辨成像與光電信號識別功能，為開發微型化、低功耗、多功能二維偏振光電探測器提供了簡潔有效的設計策略。研究成果以“Self-Powered, Broadband, and Polarization-Sensitive Photodetector Based on the ReSe?/Ta?NiSe? van der Waals Heterojunction”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。
研究團隊采用機械剝離結合干法轉移工藝，制備了垂直堆疊的ReSe?/Ta?NiSe?范德華異質結器件：寬禁帶ReSe?薄片置于底層，窄禁帶Ta?NiSe?薄片堆疊于上層，兩端分別制備5 nm/50 nm Cr/Au電極形成歐姆接觸，襯底為帶全局背柵的SiO?/Si晶圓。圖1展示了ReSe?/Ta?NiSe?范德華異質結的示意圖與特性表征。結果表明，該器件界面電荷轉移行為清晰并形成內建電場，是器件實現零偏自供電工作的物理基礎；而良好的界面耦合也為后續偏振響應的協同增強提供了結構前提。
圖1 ReSe?/Ta?NiSe?范德華異質結的示意圖與特性表征
材料偏振探測性能及器件光電性能
偏振敏感性能的根源在于兩種材料的低對稱晶體結構與強面內各向異性。Ta?NiSe?屬于單斜晶系層狀半導體，層內由[TaSe?]2?八面體雙鏈與NiSe?四面體單鏈交替排列，沿a軸形成連續的一維鋸齒狀骨架；層與層之間僅通過微弱的范德華力結合，相關結果如圖2所示。這種一維鏈主導的結構特征，使其天然具有強烈的偏振選擇吸收特性。
圖2 Ta?NiSe?與ReSe?的各向異性晶體結構及帶隙
為了進一步了解該ReSe?/Ta?NiSe?范德華異質結器件的光電特性，研究團隊進行了詳細測量，相關結果如圖3所示。光譜響應測試驗證了器件的寬帶探測能力：在375~850 nm的可見-近紅外波段均有明顯光響應，有效突破了純ReSe?器件的近紅外響應瓶頸；整體而言，該器件打破了此前ReSe?異質結“高響應度、快速度、自供電難以兼得”的困境，在零功耗前提下同時保障了探測靈敏度與響應速度。
圖3 ReSe?/Ta?NiSe?范德華異質結光電探測器的光電性能
器件工作機制
為深入闡明器件的工作機制，研究團隊結合變溫電學測試與開爾文探針力顯微鏡（KPFM）表征，系統解析了異質結的能帶排列與載流子輸運規律，相關結果如圖4所示。該研究系統闡明了ReSe?/Ta?NiSe?異質結的能帶排列與載流子輸運規律，明確了I型能帶結構在光伏探測中的作用機制，為后續同類二維范德華異質結探測器的設計與優化提供了清晰的理論指引。
圖4 ReSe?/Ta?NiSe?范德華異質結構器件的輸運機制與能帶對齊分析
偏振成像與信息識別應用
研究團隊實現了本征可調控的偏振敏感探測，且偏振性能與兩種材料的主軸相對堆疊角度密切相關。當ReSe?與Ta?NiSe?的各向異性主軸平行堆疊時，器件的偏振響應得到顯著協同增強：零偏壓下偏振比達1.83，0.5 V偏壓下提升至1.89，均明顯高于兩種單材料器件的偏振比，證明異質結的界面耦合效應能夠有效強化偏振光響應。此外，研究團隊基于ReSe?/Ta?NiSe?范德華異質結構器件優異的偏振響應特性，進一步開展了偏振成像與信息識別應用驗證，相關結果如圖5所示。通過堆疊構型調控偏振性能的策略，無需復雜的器件結構設計，僅通過材料取向控制即可實現偏振靈敏度的定制，兼具簡潔性與靈活性，為二維偏振探測器的性能優化提供了新的思路。
圖5 適用于偏振敏感光響應、成像與信息識別的平行堆疊異質結
https://doi.org/10.1021/acsami.6c09087
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