原子级厚度的二维半导体材料可以大大降低光电子器件的静电屏蔽效应和短沟道效应，有望进一步促进光电子器件的小型化以及进一步提高光电子芯片的集成度。此外，因具有高迁移率、可调谐带隙、高光吸收截面等优越的光电特性，二维半导体材料及其复合结构被广泛用于光电探测器的研究。

降低的静电屏蔽效应使得二维半导体光电探测器具有非常好的栅压调控特性。然而持续施加栅压将面临能耗大和寿命短等问题。基于此，西北工业大学柔性电子研究院罗小光助理教授课题组提出了一种基于MoTe₂/hBN/graphene范德华接触异质结的半浮栅光电探测器，通过脉冲栅压对graphene半浮栅进行电荷注入，在单一沟道材料MoTe₂中实现了可编程、低能耗和自驱动的光电探测。该器件还表现出线性、快速响应（约3 ms）以及宽带光谱响应（从405到1500 nm）的特点，在635 nm激光照射下具有约0.5 A/W的响应度和约1.6×10¹² Jones的探测率。此外，由于二维绝缘材料hBN的原子级平整特性，对半浮栅进行一次电荷注入，预测十年后响应度依然保持67%。这些优异的光电探测能力显示了二维半浮栅光电探测器在逻辑与非易失性光电子领域的应用潜力。研究成果以“Self-Powered Programmable van der Waals Photodetectors with Nonvolatile Semifloating Gate”为题发表在国际知名期刊Nano Letters上，论文的第一作者为柔性电子研究院博士研究生刘凡，通讯作者为柔性电子研究院罗小光助理教授、物理科学与技术学院甘雪涛教授和南京工业大学程迎春教授。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03500。

图1. 半浮栅光电探测器原理简图和光电流的脉冲栅压调控

原子级厚度的层状结构不易进行有效掺杂，光照下载流子的相互作用将直接影响光电响应的线性度，即使在二维半导体光电二极管中也是如此，不利于光电探测器对光的高精度计量。为了解决这个问题，课题组提出了双浮式范德华异质结光电二极管的器件概念，用双极性MoTe₂和N型MoS₂通过“搭积木”的方式堆叠成MoS₂/MoTe₂/MoS₂/MoTe₂的四层“三明治”结构，中间两层连接外部电路作为器件的沟道层。沟道层两侧的II型异质结更为有效地耗尽沟道中的载流子，从而大大减弱光照下结区对光生载流子的陷阱作用。该器件在光伏模式下表现出从可见光（405 nm）到近红外（1600 nm）波段的鲁棒线性光电响应，线性动态范围近100 dB且线性特性不受栅压影响。此外，器件还表现出约1.57 A/W的高响应度，约4.28 × 10¹¹ Jones的高探测率，和约30 µs快响应速度。本项研究展示了一个有效提高二维半导体光电二极管线性度的器件概念，未来可应用于快速、低能耗光电检测，高分辨成像和逻辑光电系统等领域。研究成果以“Approaching the Robust Linearity in Dual-Floating van der Waals Photodiode”为题发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上，柔性电子研究院已毕业的徐金鹏博士和硕士研究生林熙为该论文的共同第一作者，通讯作者为柔性电子研究院罗小光助理教授、物理科学与技术学院甘雪涛教授、南京工业大学程迎春教授和柔性电子研究院黄维院士。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202310811。

图2. 双浮式光电二极管的结构、原理简图，以及光电流的线性响应

近年来，课题组在二维半导体光电探测的原理探索和器件设计方面开展了系列研究工作，相关的进展发表在Adv. Mater.，Nano Lett.，Adv. Funct. Mater.，Adv. Opt. Mater.，ACS Photonics等国内外高水平期刊上。系列研究工作得到了国家自然科学基金、博新计划、陕西省自然科学基础研究计划项目、中央高校基本科研业务费等经费的支持。

（文字/刘凡 审核/王学文）