南京大学张学进副教授最新Nat. Commun.:基于MoS2/WSe2异质结的近红外手性光电探测器
- 2026-03-31 10:01:53
南京大学张学进副教授最新Nat. Commun.:基于MoS2/WSe2异质结的近红外手性光电探测器
二维（2D）材料由于其原子级厚度、卓越的柔韧性和强烈的材料-光相互作用，为微型化光电探测器提供了广阔前景。尽管过渡金属硫族化合物（TMDCs）可以通过双光子吸收（TPA）打破带隙限制，将其探测范围扩展至长波长，但TPA的转换效率通常较低。 
图1 | 光电探测器的架构与性质。a，基于负载了 MoS2/WSe2 异质结的等离激元超表面光电探测器示意图。b，超表面的晶格单元。c，Δy=100 nm 时混合结构在水平偏振光输入下的模拟和实测反射光谱。d，准连续体束缚态的多极分解光谱。e，MoS2/WSe2异质结能带图。f，Vg=0 V时，从单晶银向 WSe2 注入热载流子的示意图。g，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。i，器件在黑暗条件下不同栅极电压下的输出特性曲线。j，器件在黑暗条件下、Vds = 1 V 时的栅控响应曲线。 图1中，设计了一种由相互垂直的沟槽组成的超表面阵列，通过调节偏移量 Δy 成功诱导了准 BIC 模式，并将其锁定在 1550 nm。多极分解分析证实了无极子状态产生的强烈局域电场增强。能带结构和电学测试表明，异质结界面质量优异，支持热载流子从银有效注入 WSe2。 
图2 | 器件的光学与光电增强。a，左：激子共振下双光子吸收TPA过程的示意图。右：器件的共振特性。b，基波激光与二SHG信号的归一化光谱。c，在 975 至 1625 nm 激发波长下，实测的SiO2/Si基底和Ag超表面上MoS2/WSe2异质结的SHG强度。 d，在2 mW激光激发下，Ag 超表面上MoS2/WSe2异质结的光电开关行为。e，MoS2/WSe2异质结分别在Ag超表面、单晶银基底和SiO2/Si基底上，在近红外第二窗口区域的光响应对比。 图2中，实验证明，超表面产生的局域场极大地增强了非线性光学过程。在 1550 nm 处，银超表面上异质结的 SHG 信号相比传统基底实现了数个数量级的飞跃。这种光学层面的增强直接转化为光电性能的巨大提升，使得器件在 NIR-II 波段展现出卓越的灵敏度和稳定性。 
图3 | 线偏振特性。a, b，混合结构在水平偏振和垂直偏振光输入下的实测反射光谱。c, d，1550 nm光照下，SiO2/Si基底上MoS2/WSe2异质结的特性图： (c) 为归一化的SHG强度垂直分量的极坐标图；(d) 为光电流随样品360° 旋转的极坐标图。e–j，在1060、1200和1550 nm光照下，超表面上MoS2/WSe2异质结的特性图： (e, g, i) 为归一化的SHG强度垂直分量的极坐标图；(f, h, j) 为光电流随样品 360° 旋转的极坐标图。 图3中，偏振依赖性测试表明，超表面器件的光电响应与样品的旋转角度密切相关。通过对比不同波长下的实验数据，研究人员确认了器件的光电输出受到超表面诱导的光学共振的精确调控，验证了结构设计对光场操纵的有效性。 
图4 | 手性光电响应。a，在结构非对称量 Δy 变化下，LCP和 RCP照射下的反射光谱计算映射图。b, c，在Δx=50 nm时，计算得到的随Δy变化的 LCP (b) 和 RCP (c) 反射光谱映射图。d, e，当Δx=50 nm 时，实测的随Δy变化的 LCP (d) 和 RCP (e) 反射光谱映射图。 f，在 1550 nm 波长、Δx=50 nm 且 Δy=250 nm 的条件下，超表面单元在 LCP 和 RCP 照射下的表面计算电场强度分布图。g，上：Δx=50 nm 且 Δy=250 nm 时，LCP 和 RCP 照射下的实测反射光谱。下：在 LCP和 RCP照射下，银超表面上的 MoS2/WSe2 异质结产生的基波激光和SHG信号。h，上图：由 LCP 和 RCP 光诱导的响应度光谱。下图：光电响应的手性区分比。i，1550 nm下，响应度随椭圆率角变化的极坐标图。 图4中，通过在x方向引入偏移量Δx成功打破了镜像对称性，使超表面具备了手性光学特性。在1550 nm波长下，LCP 和 RCP 激发的局域电场强度存在显著差异，导致产生的 SHG 信号和光电流呈现出强烈的手性选择性。实验测得的手性区分比高达7.2，且响应度随入射光椭圆率角的连续变化进一步证实了其优秀的手性鉴别能力。 本研究通过巧妙集成具有无极子状态增强效应的手性等离激元超表面与 MoS2/WSe2垂直异质结，成功研制出一种在近红外第二窗口（NIR-II）高效运行的手性光电探测器。研究认为，利用高阶多极子物理与激子工程的协同作用，可以有效克服二维材料在长波波段吸收薄弱的限制。该探测器不仅实现了高响应度探测，还具备卓越的手性识别功能。展望未来，这一设计思路为开发微型化、多功能集成的偏振敏感探测器及片上光谱分析系统提供了重要的技术路线。 文章信息：Zhang, Qh., Dong, Zh., Liu, K. et al. Anapole-state-enhanced 2D chiral photodetector operating in the near-infrared second window. Nat Commun (2026). 文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69727-z 【近期相关研究推荐】- 二维材料异质结 中科大闫文盛Nat. Commun.：CrSBr/Fe₃GaTe₂范德华磁性异质结实现自旋-激子双向调控新机制 华南师范大学徐小志最新Nat. Commun.：厘米级单晶菱方堆叠WS₂/MoS₂异质结的受控生长 马里兰大学最新Science：WSe₂/WS₂莫尔异质结中层间激子的扩散行为 东南大学夏钶教授最新Nat. Commun.：二维WTe₂/Fe₃GaTe₂范德华异质结中的巨型各向异性磁阻 马里兰大学最新Nat. Electron.：二维CuCrP₂S₆/Fe₃GeTe₂范德华异质结中的新型多铁性调控 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
摘要
2026年2月18日，南京大学张学进副教授等人提出了一种基于等离激元超表面增强的二维TMDC光电探测器，通过利用高阶多极子的无极子（Anapole）状态以及连续体中的准束缚态（quasi-BIC），在室温下实现了近红外第二窗口（NIR-II）的高效运行。MoS2/WSe2异质结的光学响应同时受到层间激子共振和等离激元超表面热载流子注入的增强。实验结果显示，该探测器在1550 nm处的响应度可达1.35 A/W，比传统的SiO2/Si基底异质结高出约50,000倍。此外，该结构打破了镜像对称性，实现了手性光电响应，区分比高达7.2。
正文内容
总结与展望
本文来自网友投稿或网络内容，如有侵犯您的权益请联系我们删除，联系邮箱：wyl860211@qq.com 。
