南京大学在基于超构表面的二维手性光电探测器方面取得进展

二维材料为微型光电探测器的发展带来了范式革命，其原子级厚度、优异的机械柔性和强光-物质相互作用特性，为下一代微型化、可穿戴光子和光电子器件提供了极具吸引力的平台。凭借其丰富的激子共振特性，过渡金属二硫属化物（TMDC）的光电探测范围可通过双光子吸收（TPA）进一步扩展至长波波段，从而突破其带隙限制。然而，尽管存在共振非线性光学效应，双光子吸收的转换效率通常仍较低。将等离子体纳米结构与半导体集成，是克服薄层材料光吸收弱和非线性效应差等局限的强大通用方法。

据麦姆斯咨询报道，近日，南京大学的研究团队将MoS₂/WSe₂范德华异质结与在低损耗单晶银上制备的等离子体超构表面相结合，巧妙利用高阶多极子的非辐射态和连续域中准束缚态，成功实现了室温下在近红外第二窗口（NIR Ⅱ）高效工作的二维手性光电探测器。该器件通过层间激子共振和等离子体超构表面的热载流子注入，同时增强MoS₂/WSe₂异质结构的光学响应。通过优化超构表面设计，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异质结构高出约5×10⁴倍；此外，结构的镜像对称性破缺实现了手性光电响应，其二色性比高达7.2。这项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极具前景的平台。相关研究成果以“Anapole-state-enhanced 2D chiral photodetector operating in the near-infrared second window”为题发表在Nature Communications期刊上。

该光电探测器的核心结构为等离子体超构表面负载MoS₂/WSe₂异质结构，电极由Au（30 nm）/SiO₂（100 nm）组成，SiO₂层保证电绝缘。超构表面由十字形结构阵列构成，通过聚焦离子束（FIB）在单晶银表面刻蚀而成，其共振波长可通过几何参数调节。MoS₂/WSe₂范德华异质结构由化学气相沉积（CVD）法制备的n型掺杂MoS₂和p型掺杂WSe₂单层组成，采用干法转移法以0°堆叠角转移至超构表面上，并与镀金电极连接，保证低接触电阻。MoS₂的导带和WSe₂的价带构成Ⅱ型异质结构，可产生约1.55 eV的层间激子，为光电响应提供基础。图1展示了该光电探测器的结构与特性。

图1 光电探测器的结构与特性

在MoS₂/WSe₂异质结构中，丰富的激子类型使其具备宽带光电响应潜力；当入射光子能量低于异质结构中的激子和层间激子能量时，双光子吸收等多光子吸收过程成为主导激发机制，使电子从基态（GS）吸收两个低能光子跃迁至高能态，再弛豫至1s激子态，从而将光电响应延伸至近红外第二窗口。与银超构表面集成后，异质结构的响应率再提升2-3个数量级。图2展示了该光电探测器的光学与光电增强特性。

图2 光电探测器的光学与光电增强特性

随后，研究人员对该光电探测器的偏振探测性能进行了测试，相关结果如图3所示。结果显示，与超构表面集成后，光电探测器的偏振分辨能力和光电响应度受到超构表面内的光学模式的显著影响。

图3 光电探测器的线偏振特性

为实现手性光探测功能，研究人员通过沿x向打破超构表面的镜像对称性，将水平槽长度（L_H）设计为有限值；为维持目标工作波长，将周期增大至P=1200 nm，其余参数与基础结构保持一致。研究人员对该光电探测器的手性光电响应性进行了测试，相关结果如图4所示。

图4 光电探测器的手性光电响应

综上所述，这项研究通过将MoS₂/WSe₂范德华异质结构与非辐射态启发的超构表面集成，成功制备了高性能多功能光电探测器，有效克服了TMDC器件光吸收弱、光谱响应受限的固有局限。通过激发连续谱中的准束缚态和偶极矩态，超构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。这项技术有望为近红外第二窗口生物成像、高速光通信、便携式光谱传感器和柔性光电子系统等领域开辟新的应用前景，推动二维材料光电探测器向多功能、高性能、集成化方向发展。

论文链接：

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

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