随着自动驾驶、机器视觉和人工智能等技术的发展，光探测器需要具备高灵敏度、快速响应、宽带红外响应和偏振探测能力。现有的光探测器如雪崩光电二极管（APD）、硅光电倍增管（SiPM）和PIN光电二极管难以满足这些综合性能要求。二维范德华（vdW）异质结构因其可调节的能带对齐和独特的物理性质而成为下一代光探测器的有前景的候选材料。Bi₂O₂Se因其高载流子迁移率、适中的带隙和高光吸收系数而脱颖而出，但其对称结构和高载流子浓度使其在偏振、低检测限和红外光响应方面表现不佳。因此，需要合理设计器件以实现卓越的综合性能。

近日，南京师范大学、东南大学和南京邮电大学的研究团队提出了一种基于Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅异质结的高性能、偏振敏感且宽带红外光探测器。该探测器通过隧穿效应实现了高响应度（>10³ A W⁻¹）和快速响应时间（约5 μs）。该异质结器件展现出低检测限（在633纳米处约为2 pW，在1550 nm处约为4 nW），比探测率高达3.75×10¹³ Jones（633 nm）和1.8×10¹⁰ Jones（1550 nm）。此外，该器件还成功实现了高分辨率宽带和偏振光成像。这项研究成果为开发下一代具有全面高性能的光探测器提供了更多机会。这项研究以“Bi2O2Se/Ta2NiSe5 Tunneling Heterojunction for High-Performance, Polarization-Sensitive, and Broadband Infrared Photodetector”为题发表在Advanced Electronic Materials期刊上。

Bi₂O₂Se具有四方结构，而Ta₂NiSe₅具有层状单斜结构。Bi₂O₂Se的少层纳米片具有约0.8 eV的间接带隙，而Ta₂NiSe₅表现出约0.36 eV的窄直接带隙。研究人员通过化学气相沉积（CVD）方法和机械剥离技术分别获得Bi₂O₂Se和Ta₂NiSe₅纳米片。为了构建Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅光探测器，研究人员将Ta₂NiSe₅纳米片转移堆叠至Bi₂O₂Se纳米片上，并在其非重叠区域沉积Ti/Au（5/150 nm）电极作为源/漏极和背栅电极。图1a显示了Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅异质结构器件的示意图，该器件的性能表征如图1所示。

图1 Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅异质结器件的性能表征和制备

随后，研究人员进一步研究了基于Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅异质结的光电探测器的光电特性，相关结果如图2所示。研究人员还总结了该基于Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅异质结的光电探测器与其他二维异质结器件的性能比较。

图2 基于Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅异质结的光电探测器的光电特性

此外，研究人员采用波长可调的近红外（NIR）激光器来评估基于Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅异质结的光电探测器的近红外探测性能，相关成像结果如图3所示。该器件表现出了卓越的响应度、比探测率以及近红外光谱微弱光的探测能力，以及高质量偏振成像。

图3 基于Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅异质结的光电探测器的近红外探测性能

最后，为了深入研究Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅异质结的光响应机制和载流子动力学，研究人员采用理论计算和实验表征，相关结果如图4所示。

图4 基于Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅异质结的光电探测器的光响应机制

综上所述，这项研究提出了一种基于Bi₂O₂Se/Ta₂NiSe₅异质结的高性能光电探测器，通过隧穿效应实现了高响应度和快速响应时间。该器件在可见光和红外波段展现出卓越的灵敏度和偏振光成像能力，为下一代光探测器的发展提供了新的方向，满足自动驾驶和机器视觉等领域的严格需求。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aelm.202500115