南京邮电大学高丽教授团队Light: Science & Applications:双模可切换与可重构范德华光电晶体管用于多态图像加密
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大数据时代信息传输量呈指数级增长，对数据安全提出了更为严苛的要求。通过在传输过程中直接对光信号进行加密，现代光通信加密技术在物联网、数据中心和云计算等对安全传输高度依赖的领域具有重要意义。然而，目前基于硅的传统光通信加密器件仍面临瓶颈——难以在高灵敏度、动态加密与低功耗之间取得平衡。硅基光电调制器获得的二元态加密缺乏动态调制多样性和自适应密钥机制，更易被攻击者截获和分析。因此，具备多态调制能力的加密器件对保障光数据传输安全至关重要。
二维范德华异质结器件有望提供实现多态加密的可行方案。其高载流子迁移率与电学可调性支持光信号的动态加密，界面处弱范德华力则有利于与互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的异质集成；此外，2D 光电晶体管的暗电流可通过能带对齐工程有效抑制，有利于提高开关比与信噪比。然而，现有的光电流调制方案各有局限：栅压调制功耗高且需复杂外部电路；偏振调制需额外光学元件（如分束器），增大系统体积并阻碍片上集成；多波长激发需多个光源，抗环境干扰能力下降、易受信道干扰。有机双模器件通常还需更高工作偏压或额外界面抑制来降低暗电流。因此，开发兼具可切换响应与多态加密能力，同时满足高灵敏、低功耗与片上集成的范德华器件，仍是一大挑战。
成果简介
近日，南京邮电大学高丽教授团队报道了一种基于 PtTe₂/WS₂ 异质结的双模范德华光电晶体管。范德华异质结与金属电极通过干法转移技术完全范德华集成，避免了金属直接沉积引入的界面缺陷与表面费米钉扎效应，确保了有效的电学调制与动态光电响应。异质结单边耗尽区的宽度可由偏压（Vds）调节，从而实现光电导（PC）模式与光伏（PV）模式之间的可切换机制。本文第一作者为青年教师于远方。
在 PC 模式下，单边耗尽区足够窄、缺陷俘获载流子占主导，载流子寿命延长带来高光电导增益与高响应度（1.37 A/W）。在 PV 模式下，宽单边耗尽区伴随大能带弯曲，有效抑制暗电流并加速光生载流子分离，器件比探测率高达 9.42×10¹⁴ Jones，具备弱光探测能力（约 pW 量级）与高速响应（上升时间约 26.3 μs，下降时间约 22.6 μs）。
更重要的是，通过双模操作，器件实现了约 10⁵ 的高开关比与四个可区分的电流态，从而实现了多种光逻辑门（XNOR、NOR、XOR）以及多态四进制图像加密，相邻像素平均相关系数低至 0.03，展现出优异的图像加密性能。该可重构器件为构建多功能光电芯片、推进安全光通信技术提供了通用平台。
图文导读
图1 PtTe₂/WS₂ 双模可切换范德华器件示意图。(a) 2D 材料范德华器件开关比与工作态数目之间的权衡关系，左上能带图为 PV 模式、左下为 PC 模式；(b) 双模切换生成的四个电流态对应所定义的四进制数，0–3 分别代表 PV 模式暗电流、PC 模式暗电流、PV 模式光照下源漏电流、PC 模式光照下源漏电流；(c) 器件在光照下的结构示意；(d) 偏压为 3 V（左）与 −3 V（右）时的能带图与载流子输运，E_bi 为内建电场，E_ds 即 V_ds，灰色区为耗尽区，黄线为载流子输运方向。
图2 PtTe₂/WS₂ 异质结双模切换机制。(a–c) V_ds = 3、0、−3 V 时器件的光电流成像，正偏时光电流主要产生于交叠区、由 PV 效应主导，反偏时主要产生于 WS₂ 区、由 PC 效应主导；(d) 不同 V_ds 下的超快光谱响应及双指数拟合得到的时间常数，插图为慢弛豫指数；(e) 两种模式载流子激发与弛豫过程示意；(f) 双模下光电流的光强依赖关系，−3 V 与 3 V 的幂律指数 α 分别为 0.31 与 0.82，印证 PC 与 PV 效应主导。
图3 PtTe₂/WS₂ 异质结器件在 532 nm 下的光电性能。(a) 不同光强下的输出特性曲线，V_ds 由 −3 V 切换至 3 V 时暗电流可降低约 4 个数量级；(b) 双模下比探测率随光强的变化，3 V 时最高 D* 达 9.42×10¹⁴ Jones；(c) 不同 V_ds 下的时间响应，PV 模式上升/下降约 26.3/22.6 μs；(d) 与已报道 PtTe₂、WS₂ 异质结器件的性能对比；(e) 单点成像系统示意；(f) −3、3 V 下 “NJUPT” 图案的成像结果。
图4 PtTe₂/WS₂ 光电晶体管模拟逻辑门的原理演示。(a、c、e) XNOR、XOR、NOR 逻辑门的等效电路图；(b、d、f) 通道 A（光照）、B（偏压）输入及对应的 XNOR、XOR、NOR 输出光信号。通过预设电流阈值将输出光电流映射为二进制逻辑，从而在单一器件中复现三种逻辑门功能。
图5 双模可切换范德华器件的加密图像。(a) 两路加密信号输入异质结器件的示意；(b) 原始图像；(c) 逻辑门加密后的图像；(d) 四态电流加密后的图像；(e) 小写字母 “c” 的四进制加密与解密具体过程（蓝色数字属于通道 A、黑色属于通道 B，密钥序列为 A）。四态加密相邻像素平均相关系数（0.0288）约为 XNOR 加密（0.0646）的一半，加密效果更优。
总结与展望
本工作报道了一种双模可切换的高性能 PtTe₂/WS₂ 光电晶体管，展示了四个稳定的光电流态，可用于构建面向安全光通信的先进光电晶体管。单一器件中存在两种工作机制：正偏下的 PV 效应与负偏下的 PC 效应。PC 模式下异质界面能带弯曲与耗尽区的显著减弱促进了光电导增益；PV 模式下内建电场与能带弯曲的增强带来高达 9.42×10¹⁴ Jones 的比探测率与快速响应。两种机制产生的光电流在数值上相差若干数量级，因而四个输出态可由入射光与偏压组合唯一确定，实现单一光电晶体管即可完成信息解密。
该方案可应用于基于光响应模式切换的安全光通信。未来有望通过图像二值化并解决四态加密扩展灰度序列后 RGB 序列扩展的问题，实现彩色图像加密；借助 2D 半金属材料的宽带吸收，器件还有望用于近红外乃至中波红外通信波段的信息加密。作者亦初步描述了潜在的阵列制备与集成工艺。
文献链接：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02358-7
