ACS AMI|南京理工:ReSe₂/Ta₂NiSe₅范德华异质结自供电宽带偏振光电探测

北理工 Nano Res.：自供电、超快、宽光谱Bi₂O₂Se基半垂直异质结高性能光电探测器

中山大学 Adv. Mater.两篇：AgTiPS₆/AgBiP₂Se₆--宽带偏振光电探测与巨负光响应

摘要：针对高性能成像与光信息处理器件难以同时实现高响应、快响应、自供电与偏振探测的难题，本文构建ReSe₂/Ta₂NiSe₅范德华异质结光电探测器。器件实现375–850nm紫外-近红外宽带自供电探测，532nm零偏下响应度0.381A/W、比探测率5.71×10⁹Jones，响应速度44μs/70μs、带宽5kHz，平行堆叠偏振比可达1.83，可实现偏振成像与光电信号识别，为低功耗偏振光电器件提供制备策略。

ACS AMI｜南京理工：ReSe₂/Ta₂NiSe₅范德华异质结自供电宽带偏振光电探测

一、研究背景

光电探测器是现代信息技术的关键元器件，广泛应用于光学成像、环境监测、光通信等领域，承担光信号采集、处理与传输功能。传统半导体光电探测器存在表面活性低、制备工艺复杂、结构可调性差、功耗高等问题，难以同时满足宽带光谱响应、自供电工作、偏振分辨探测的高端应用需求。二维半导体凭借原子级平整表面、电子结构高度可调的优势，成为微型高性能光电探测器的理想平台。低对称ReSe₂具备优异面内各向异性，适配偏振探测，但存在近红外光电转换效率低、高响应依赖外偏压的短板；窄带隙Ta₂NiSe₅可拓展红外探测波段，但单一材料无法兼顾多维度性能。

现有ReSe₂基异质结普遍存在响应度、响应速度、偏振比性能制衡问题，因此开发结构简单、性能均衡的一体化偏振自供电光电器件具有重要意义。

二、材料

2.1 Ta₂NiSe₅

Ta₂NiSe₅是典型单斜晶系层状三元硫族范德华半导体，块体至单层状态均保持0.36eV直接带隙，在近红外至中红外波段具备极强光吸收能力。晶体结构由[TaSe₆]²⁻八面体链与NiSe₄四面体链交替排布形成一维锯齿骨架，具备显著的面内电学与光学各向异性，是构筑高性能偏振光电探测器的理想窄带隙材料。

2.2 ReSe₂

ReSe₂为低对称三斜晶系二维过渡金属硫族化合物，内部Re原子形成菱形Re₄团簇，打破平面旋转对称性，具备天然面内各向异性，带隙1.24eV。该材料可见光波段光吸收性能稳定，本征偏振光电响应优异，但近红外波段光电转换效率存在明显短板。

2.3 ReSe₂/Ta₂NiSe₅异质结协同优势

ReSe₂与Ta₂NiSe₅具备优异的光电性能互补性与双各向异性协同特性。异质结界面处电子由ReSe₂向Ta₂NiSe₅转移，形成由ReSe₂指向Ta₂NiSe₅的稳定内建电场，诱发显著光伏效应，实现无外偏压自驱动光电探测。同时匹配的能带结构可高效分离、束缚光生载流子，大幅提升器件光电转换与收集效率。

三、器件制备

3.1 材料

选用高质量ReSe₂、Ta₂NiSe₅块体单晶。

3.2 二维纳米片机械剥离

对ReSe₂、Ta₂NiSe₅块体单晶进行剥离，获取高质量二维纳米片。原子力显微镜测试剥离后ReSe₂纳米片厚度为18nm，Ta₂NiSe₅纳米片厚度为52nm。

3.3 PDMS干法转移构筑范德华异质结

1.基底预处理：选用SiO₂/Si衬底作为全局背栅，实现器件沟道载流子浓度的静电调控；

2.垂直异质结堆叠：采用PDMS弹性印章干法转移技术，将窄带隙Ta₂NiSe₅薄片精准堆叠于宽带隙ReSe₂薄片上方，依靠层间范德华力形成高质量垂直堆叠异质结提升器件光吸收能力；

3.平行异质结制备：通过调控两层材料晶轴取向，制备主轴对齐的平行堆叠异质结，用于优化偏振响应性能；

4.异质结有效感光重叠区域面积约9μm²。

3.4 电极图形化与金属蒸镀

1.图形化工艺：利用电子束光刻技术对异质结器件进行图形化，精准定义源、漏电极区域，划定电极接触窗口；

2.金属电极蒸镀：通过电子束蒸发工艺，依次沉积5nmCr粘附层与50nmAu导电层，构筑稳定Cr/Au欧姆接触电极，完成ReSe₂/Ta₂NiSe₅范德华异质结光电探测器制备。

四、表征测试

4.1 形貌与物相表征

1.光学显微镜：观测异质结微观形貌、尺寸结构与堆叠状态；

2.原子力显微镜AFM：精准测试二维纳米片厚度、表面平整度与界面堆叠状态；

3.X射线衍射XRD：表征两种材料晶体结构，验证高结晶质量、无杂质相；

4.X射线光电子能谱XPS：分析材料元素组成、化学价态，验证材料纯度；

5.拉曼光谱、偏振拉曼、拉曼面扫描：测试材料特征峰，验证层间界面耦合作用，表征材料面内光学各向异性；

6.开尔文探针力显微镜KPFM：测试材料表面接触电势差，验证异质结界面电荷转移行为与费米能级偏移。

4.2 光电性能测试

1.半导体参数分析仪：测试暗态/光照下I-V输出、转移曲线，获取短路电流I_SC、开路电压V_OC；

2.多波段二极管激光器：375nm、442nm、532nm、635nm、850nm光源测试宽带响应；

3.锁相放大器：测试器件电流噪声谱密度，计算比探测率 D*；

4.跨阻放大器 + 数字示波器：采集光电流瞬态信号，提取上升、下降时间与带宽；

5.低温无液氦测试系统：完成变温 I-V 测试，分析载流子热输运机理；

6.偏振光路平台：搭建偏振成像系统，测试偏振光电流、完成偏振分辨成像采集。

4.3 理论计算

采用Atomistix ToolKit(ATK)软件开展第一性原理DFT计算，结合PBE交换关联泛函、HSE06杂化泛函修正带隙精度，引入DFT-D3色散修正精准拟合层间范德华相互作用。系统计算异质结差分电荷密度、晶体能带结构、界面能带对齐方式，深度揭示界面电荷转移与光电响应物理机理。

五、图文速览

图1.ReSe₂/Ta₂NiSe₅异质结示意图和表征。(a) 垂直堆叠异质结的三维示意图。(b) 异质结中差分电荷密度 (Δρ) 的示意图。(c) 异质结的光学显微照片。(d) 异质结的原子力显微镜 (AFM) 图像。(e) ReSe₂/Ta₂NiSe₅异质结的拉曼光谱。(f) 异质结的拉曼强度图。

图2.ReSe₂、Ta₂NiSe₅各向异性晶体结构和带隙。(a) 从不同角度观察的Ta₂NiSe₅原子结构。(b) 计算得到的Ta₂NiSe₅能带结构。(c) 从不同角度观察的ReSe₂原子结构。(d) 计算得到的ReSe₂能带结构。(e,f) ReSe₂/Ta₂NiSe₅在Ag和Eg振动模式下的拉曼强度极坐标图。(g,h) ReSe₂/Ta₂NiSe₅偏振分辨拉曼强度随拉曼位移和旋转角的伪彩图。

图3.ReSe₂/Ta₂NiSe₅异质结光电探测器的光电特性。(a) 暗态和光照条件下的I−V特性曲线。(b) 响应度(R)和比探测率(D*)随光功率密度的变化。(c) 器件输出功率随不同光照功率下电压(V)的关系。(d) 短路电流|I_SC|和开路电压V_OC_DS随光功率密度的变化。(e) 异质结自供电操作的长期稳定性。(f) 异质结器件在532 nm光照下的响应速度。(g) 光响应随波长的变化。(h) 器件的3 dB截止频率。(i) 自供电模式下，与已报道异质结光电探测器的响应度(R)比较。

图4.ReSe₂/Ta₂NiSe₅异质结构器件的传输机制和能带对齐分析。(a) 温度依赖的暗态I−V特性。(b) 电压依赖的阿伦尼乌斯拟合及表观激活能。(c) 电压依赖的DT和FNT机制转换。(d) 器件的KPFM接触电势差谱。(e) 接触前后的能带对齐。(f) 光照下的F−N隧穿和DT隧穿过程。

图5.平行堆叠异质结用于偏振敏感光响应、成像和信息识别。（a）平行堆叠异质结的光学图像。（b）0 V时的偏振光电流。（c）0.5 V时的偏振光电流。（d−h）不同偏振角下的光电流分布。（i）不同偏振角下的时间分辨光电流。（j）偏振分辨成像测量示意图。（k）不同条件下的偏振分辨成像。（l）ASCII编码的“NUST”图案。（m）不同偏压下的ASCII信号识别。（n）不同偏振状态下的ASCII信号识别。

六、研究成果

1.成功基于机械剥离+干法转移工艺构筑ReSe₂/Ta₂NiSe₅范德华异质结光电探测器，依托界面光伏效应实现零偏自供电工作，探测光谱覆盖375–850nm紫外-可见光-近红外宽带区间；

2.自供电模式下器件光电探测性能优异，532nm波段响应度0.381A/W、比探测率5.71×10⁹Jones，光电流与入射光功率具备良好线性相关性，载流子收集效率优异；

3.器件拥有超快瞬态响应特性，上升/下降时间为44μs/70μs，-3dB带宽达5kHz，可稳定响应高频脉冲光信号，多次循环测试性能无衰减，工作稳定性优异；

4.探明堆叠构型与偏振响应的关联机制，平行主轴堆叠构型可最大化双材料各向异性协同效应，偏振比高达1.83，显著优于单一材料与垂直堆叠结构；

5.器件可实现实时偏振分辨成像与可靠光电信号识别，在多维偏振光信息感知、低功耗光电探测领域具备极佳应用潜力；

6.结合理论计算与实验测试，完整阐明异质结界面电荷转移、内建电场形成、载流子隧穿输运的物理机制，为二维偏振光电器件设计提供理论支撑。

七、应用

1.低功耗偏振成像芯片：无需外置供电，适用于微型机载、便携光学成像设备；

2.多波段光通信探测器：375–850 nm 宽带、5 kHz 高速响应适配可见光 - 近红外光信号传输；

3.偏振光传感系统：面向环境偏振监测、生物偏振显微探测；

4.微型二维集成光电器件：制备工艺简易，可兼容微纳加工工艺，适配片上集成光电系统。

八、总结

ReSe₂、Ta₂NiSe₅块体单晶通过机械剥离结合PDMS干法转移微纳加工工艺，成功构筑高质量双各向异性范德华异质结。两种材料实现带隙互补与光学各向异性协同，完美解决传统光电探测器功耗高、波段窄、偏振性能弱、多性能难以兼顾的痛点。该器件集成自供电工作、超宽光谱响应、超快响应速度、高偏振分辨多重优异性能，通过调控异质结堆叠构型可精准优化偏振探测性能。

该研究提出的简易构筑策略，为微型化、低功耗、高灵敏偏振光电探测器件的设计与制备提供了通用方案，在多维光信息传感、集成光电子芯片领域具备极高的科研价值与应用前景。

・主要单位：南京理工大学、南通大学、南京邮电大学 

・发表时间：2026年5月，ACS Applied Materials & Interfaces（ACS AMI） 

・文章题目：Self-Powered, Broadband, and Polarization-Sensitive Photodetector Based on the ReSe₂/Ta₂NiSe₅ van der Waals Heterojunction 

・文章链接：https://doi.org/10.1021/acsami.6c09087

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