南京大学张学进副教授 Nat Commun:近红外第二窗口下偶极矩态增强的二维手性光电探测器

成果介绍

二维材料为微型光电探测器的发展带来了希望。凭借丰富的激子共振特性，过渡金属二硫属化物（TMDCs）的光电探测范围可通过双光子吸收（TPA）进一步大规模扩展至长波段，从而突破其带隙限制。然而，尽管存在共振非线性光学效应，TPA的转换效率通常仍较低。

近日，南京大学张学进副教授等研究者提出了一种等离激元超表面增强的二维TMDC光电探测器。该探测器利用具有偶极矩态的高阶多极子以及连续谱中的准束缚态，在室温下的近红外第二窗口（NIR Ⅱ）实现了高效运行。MoS₂/WSe₂异质结的光学响应通过层间激子共振和等离激元超表面的热载流子注入得到了协同增强。通过优化超表面设计，该探测器在1550 nm波长处的响应度可达1.35 A/W，比在SiO₂/Si衬底上的MoS₂/WSe₂异质结高出约5×10⁴倍。此外，结构的镜像对称性破缺使其能够产生手性光电响应，其二色性比高达7.2。这一研究为近红外第二窗口生物成像、光通信以及片上光谱传感等应用提供了一个前景广阔的平台。

图文导读

图1 | 光电探测器的结构与特性。a，基于负载MoS₂/WSe₂异质结的等离激元超表面的光电探测器示意图。电极由Au（30 nm）/SiO₂（100 nm）构成。插图：器件的光学显微图像。b，超表面的晶胞结构，由两条正交的凹槽构成，凹槽宽度相同，均为w = 100 nm。水平凹槽贯穿整个周期，垂直凹槽的长度为L_V = 800 nm。优化后的刻蚀深度为d = 300 nm，阵列周期定义为P = 1000 nm。结构的不对称性通过将水平凹槽沿y方向移动Δy来实现。插图：超表面的扫描电子显微镜图像。c，当Δy = 100 nm、输入光为水平偏振时，混合结构的模拟与实测反射光谱。准连续谱束缚态的模式波长位于1550 nm处（橙色阴影区域）。插图：计算得到的表面一个晶胞内的电场强度分布。d，准连续谱束缚态的多极子分解谱。ED：电偶极子；TD：环形偶极子；EQ：电四极子；EO：电八极子。GPP：间隙等离极化激元。e，MoS₂/WSe₂异质结的能级图。e⁻：带负电荷的电子；h⁺：带正电荷的空穴。虚线代表不同激子的结合。f，在V_g = 0 V时，单晶银向WSe₂注入热载流子的示意图。g，单独的MoS₂、WSe₂以及MoS₂/WSe₂异质结的拉曼光谱。h，MoS₂、WSe₂以及MoS₂/WSe₂异质结的吸收光谱。竖线代表异质结中A、B激子以及层间激子的位置。i，暗态条件下，器件在不同栅极电压下的源漏电流-源漏电压曲线。j，暗态条件下，在V_ds = 1 V时器件的栅极响应。插图：对数坐标下的曲线。

图2 | 器件的光学与光电增强特性。a，左图：激子共振下的双光子吸收过程示意图。右图：器件的共振示意图。TPA：双光子吸收；GS：基态。hν：声子能量。τ₀, τ₁：弛豫时间和跃迁时间。b，在SiO₂/Si衬底（放大100倍）和银超表面上，由MoS₂/WSe₂异质结产生的基频激光（右，1550 nm）与二次谐波信号（左，775 nm）的归一化光谱。SHG：二次谐波产生。c，在975至1625 nm激发波长下，测得SiO₂/Si衬底和银超表面上MoS₂/WSe₂异质结的二次谐波强度。此处，SiO₂/Si衬底上异质结的信号强度已被放大10⁴倍。右轴：根据实验数据计算得出的二次谐波增强因子。曲线由洛伦兹拟合得到。EF：增强因子。d，在2 mW激光激发下，银超表面上MoS₂/WSe₂异质结的光开关行为。e，MoS₂/WSe₂异质结在银超表面、单晶银、SiO₂/Si衬底上于近红外第二窗口区域的光电响应。NIR Ⅱ：近红外第二窗口。

图3 | 线偏振特性。a, b，在水平（a）和垂直（b）偏振光入射下，测得的混合结构反射光谱。三个彩色阴影区域分别代表c–j图中测量所用的1060 nm、1200 nm和1550 nm波长。c, d，在1550 nm光照下，当样品旋转完整360°时，SiO₂/Si衬底上MoS₂/WSe₂异质结产生的二次谐波强度归一化垂直分量的极坐标图（c）和光电流的极坐标图（d）。e–j，在1060 nm（e, f）、1200 nm（g, h）和1550 nm（i, j）光照下，当超表面上的MoS₂/WSe₂异质结样品旋转完整360°时，二次谐波强度归一化垂直分量的极坐标图（e, g, i）和光电流的极坐标图（f, h, j）。c–j图中的数据点为测量值，实线为根据公式(1)（c, e, g, i）和公式(2)（d, f, h, j）拟合得到的曲线。

图4 | 手性光电响应。a，在左旋圆偏振和右旋圆偏振光照射下，反射光谱随结构不对称度Δy变化的计算图谱。与图1中的结构相比，此处周期增大至P = 1200 nm。LCP：左旋圆偏振；RCP：右旋圆偏振。蓝色和绿色虚线分别代表由入射光水平场分量和垂直场分量激发的光学共振。b，c，在左旋圆偏振（b）和右旋圆偏振（c）光照下，反射光谱随Δy变化的计算图谱。通过将水平凹槽沿x方向移动Δx = 50 nm来打破镜像对称性。d，e，在左旋圆偏振（d）和右旋圆偏振（e）光照下，当Δx = 50 nm时，测得的反射光谱随Δy变化的情况。旁边列出了相应的扫描电子显微镜图像。f，在波长1550 nm、Δx = 50 nm且Δy = 250 nm的条件下，计算得到的超表面单个晶胞表面在左旋圆偏振和右旋圆偏振光照射下的电场强度分布。g，上图：在Δx = 50 nm且Δy = 250 nm时，左旋圆偏振和右旋圆偏振光照射下测得的反射光谱。下图：在左旋圆偏振（橙色）和右旋圆偏振（蓝色）光照射下，银超表面上的MoS₂/WSe₂异质结产生的基频激光（右，1550 nm）与二次谐波信号（左，775 nm）的归一化光谱。h，上图：由左旋圆偏振和右旋圆偏振光诱导产生的响应度光谱。下图：光电响应的手性二色性比。i，在1550 nm波长下，响应度随椭圆率角变化的极坐标图。数据点代表测量值，实线是数据点的平滑连接线。

结论与展望

总之，该研究通过将MoS₂/WSe₂范德瓦尔斯异质结与基于偶极矩态设计的超表面集成，展示了一种高性能、多功能的光电探测器。该架构成功克服了基于过渡金属二硫属化物器件的固有限制，包括光吸收弱和光谱响应范围受限等问题。通过激发连续谱中的准束缚态和偶极矩态，超表面借助高阶多极子实现了巨大的局域场增强，显著提升了双光子吸收效率，并使光电探测范围能够深入至近红外第二窗口。此外，激子与等离激元共振的衰减促进了高效的热载流子注入，显著改善了光电流的产生和整体量子效率。所得器件在室温下工作时，于1550 nm波长处表现出1.35 A/W的卓越响应度。更重要的是，通过打破超表面的面内对称性，研究成功集成了手性辨别能力。这项工作不仅为制造具有内置偏振功能的超紧凑、宽带、高灵敏度光电探测器提供了一条可行途径，也建立了一个利用纳米光子学工程调控低维半导体中光-物质相互作用的通用范式。预计这项技术将为近红外第二窗口生物成像、高速光通信、便携式光谱传感器以及柔性光电子系统等应用开辟新途径。

文献信息

Zhang, Qh., Dong, Zh., Liu, K. et al. Anapole-state-enhanced 2D chiral photodetector operating in the near-infrared second window. Nat Commun (2026). 

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69727-z

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