华南师范大学《Laser & Photonics Reviews》：用于图像处理和运动识别的Au NPs嵌入MoTe2/ReS2异质结光电探测器

现代机器视觉系统对光电探测器提出了多维性能需求，不仅要求突破传统器件的物理极限，还需实现感算深度融合。然而，现有光电探测系统仍存在显著缺陷，首先传统硅基探测器受限于本征带隙，在近红外波段响应急剧衰减；其次单向光电流器件需外接极性转换电路，在动态场景中造成响应延迟，严重制约实时信号处理能力，最后缺乏偏振功能的传统传感器会降低复杂环境下的目标识别精度。

针对以上问题，华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）霍能杰研究员以及孙一鸣特聘副研究员在光电子器件领域取得最新进展，该研究成果以 “Au NPs Intercalated MoTe2/ReS2 Heterojunction Photovoltaic Detectors for Image Processing and Motion Recognition”为题，发表于期刊《Laser & Photonics Reviews》。

该研究提出新型光电探测器，通过双向光电流响应与偏振敏感特性，构建了多维光学信息获取与处理的技术框架。利用偏振特性，实现了偏振对比增强成像能力。进一步地，将双向且偏振光电流信号与卷积处理融合，可在动态场景中完成运动目标的识别与统计。该器件有效缓解了传统系统在多目标实时识别过程中普遍存在的信号串扰与噪声累积问题，为新一代机器视觉系统的发展提供了新思路。

研究团队设计并制备了MoTe2/Au NPs/ReS2异质结光伏探测器，创新性地引入金纳米颗粒，在一个器件中实现双向光电流与偏振敏感的高效光电探测器。金纳米颗粒通过诱导局部表面等离子体共振和热电子注入，协同调控界面能带结构，显著提升光吸收效率，并将响应拓展至1550 nm。器件在808 nm处的响应度和探测率分别达8.35 A W-1和9.6 × 1011 Jones，较原始结构提升两个数量级。借助双向光电流与偏振成像特性，结合卷积处理技术，该器件进一步实现了多模态图像处理任务与动态物体检测计数所需的运动识别功能，为智能交通管理系统及复杂环境下的实时监测提供了创新型硬件平台。

图1 光电流反转及其机理分析。(a) 基于ANP（含Au NPs）与W/O NP（不含Au NPs）结构器件的示意图。(b) 黑色区域的局部放大图。(c) ANP与W/O NP器件的IDS–VDS特性曲线，插图为对应的光学显微镜（OM）图像。(d) 在808 nm光照、零偏压条件下，ANP与W/O NP器件的光电流分布图。(e) Au/MoTe2、MoTe2、ReS2及Au/ReS2在接触前的能带排列示意图。(f, g) 分别为W/O NP结构与ANP结构在接触后并受光照上时的能带图。

通过快速退火工艺制备出图案化且均匀分布的Au NPs，并将其嵌入MoTe2–ReS2异质结体系。夹在中间的Au NPs可动态重构界面能带排列，从而调制界面电荷分布并诱导内建电场反转。该能带工程策略赋予器件显著的反向光电流特性，使两个光电单元在单一芯片内协同工作，为图像处理与运动识别提供新思路。

图2 近红外光照下ANP与W/O NP结构的光伏特性。(a) 在635 nm、808 nm和1310 nm相同功率密度下，ANP与W/O NP结构的IDS–VDS特性曲线。(b) 808 nm不同功率密度下ANP与W/O NP结构的开路电压VOC。(c) VDS = 0 V时，808 nm激光开关周期下的IDS–时间曲线。(d–f) 808 nm下，ANP与W/O NP结构的光电流、响应度、探测度及时间响应随光功率变化曲线。(g) 1550 nm不同功率密度激光照射下ANP结构的IDS–VDS曲线。(h) 1550 nm下光电流与VOC随功率密度变化关系。(i) 1550 nm下响应度R与探测度D*随功率密度变化关系。

借助Au NPs的表面等离激元共振（LSPR）与热电子注入机制，三明治结构器件在探测性能指标上实现了两个数量级的跃升，并将响应光谱拓展至 1550 nm，突破了本征带隙限制。同时，其偏振探测能力较无 Au NPs 的原始结构显著增强，偏振比由 4.7 提升至 9.1。

图3 基于ANP与W/O NP器件的运动检测示意。(a) 将某一帧差时刻的m×n运动图像像素乘以正负电导矩阵并求和，得到变换后的像素结果，从而实现运动目标检测。(b) 第50帧的归一化像素亮度分布。(c) 第100帧运动检测后的归一化像素亮度分布。

将双向光电流与偏振特性同卷积运算深度融合，可实现多模态图像处理与动态检测应用。利用器件的反向及偏振依赖光电流，设计了正/负极性与偏振分辨的卷积核，能够对运动目标进行实时识别与计数，已成功应用于双向车道的车辆身份识别与车流监控。与传统方法相比，该方案大幅降低了信息传输与交互的复杂度，同时显著提高了检测精度。

作者信息介绍：华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）博士邓群睿、硕士陈雯洁与武汉大学博士罗高丽为共同第一作者，霍能杰研究员与孙一鸣特聘副研究员为通讯作者。

该工作中通过使用TuoTuo Technology（UV Litho-ACA）的无掩模紫外光刻机完成了对器件整个光刻步骤的工作。该研究得到了广东省基础与应用基础研究基金和中国国家自然科学基金的支持。

文章链接：http://doi.org/10.1002/lpor.202501737