客户成果丨华南理工大学《ACS AMI》：通过协同非对称效应增强二维光电探测器的自驱动特性

华南理工大学周长见课题组在二维光电器件领域取得研究进展。相关成果以“Boosting the Self-Driven Properties of 2D Photodetectors through Synergistic Asymmetrical Effects” 为题，发表在 《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

自驱动光电探测器（Self-Driven Photodetectors, SDPDs）无需外加偏压即可实现光电转换，在低功耗探测、被动光通信和新型传感系统中具有重要应用前景。然而，现有二维材料自驱动器件通常依赖掺杂、异质结或多物理场耦合，存在工艺复杂、可重复性差、通用性不足等问题，其自驱动性能仍然受限。本工作提出了一种简单、通用且高效的性能增强策略——协同非对称效应。研究基于典型金属–半导体–金属（MSM）结构，以 WSe2 为沟道材料，通过非对称电极材料（Pt / Cr）与非对称接触长度设计的协同作用，在不引入掺杂或复杂异质结构的前提下，显著增强器件内建电场和自驱动光伏效应。

实验结果表明，在最优协同非对称结构下，器件的开路电压（Voc）达到 0.58 V，相较于仅采用单一非对称设计，分别提升 65% 和 241%。在零偏条件下，器件实现了 5.77 A/W 的响应度和 1.87 × 10¹¹ Jones 的探测率，表现出优异的自驱动光电性能。此外，研究还演示了该器件在衰减水下可见光环境中的信号接收能力。在无外加电源条件下，器件仍可稳定识别光信号，显示出其在被动光通信和特殊环境光探测中的应用潜力。该工作所提出的协同非对称结构设计思路不依赖特定二维材料，具有工艺简单、可扩展性强、通用性高等优势，为高性能二维自驱动光电器件的设计提供了一种新的通用方案。

图 1.具有不同类型非对称性的 PD 示意图。(a) 具有非对称电极的 PD。(b) 接触长度不对称的 PD。(c) 具有协同非对称效应的 PD。(d)-(f) 对应于 (a)-(c) 的电场分布模拟。(d–f) 对应结构下的内建电场分布仿真结果，显示协同非对称结构可显著增强内建电场强度。

图 2.协同非对称效应的验证。(a) 具有相同和不同电极的 SDPD 的 I-V 曲线。(b)-(c) 表面电位差的高斯拟合曲线。插图显示了 Pt-WSe2 和 WSe2-Cr 界面的相应 KPFM 结果。(d) 具有相同电极和不同接触长度的 SDPD 的 I-V 曲线。(e) 具有不同接触长度的 Pt-WSe2-Cr SDPD 的 I-V 曲线。(f) Pt-WSe2-Cr SDPD 的 Voc 和ΔL 之间的关系。(g) 具有不同接触长度的 Pp-WSe2-Cr SDPD 的模拟 I-V 曲线。(h) Pt-WSe2-Cr SDPD 光学图像。(i) 在零偏置时对应于 h 中黑色虚线方块的光电流映射图像。

该工作中，研究团队通过使用 TuoTuo Technology 的多功能光电流平台，完成了自驱动二维光电探测器的光电响应测试、零偏 I–V 特性测量以及弱光条件下的稳定性评估等关键实验工作。该测试平台为协同非对称结构下自驱动性能的定量分析提供了高稳定性和高重复性的实验数据支撑。

华南理工大学硕士生孙一泓为第一作者，周长见副教授为通讯作者。此外，香港中文大学(深圳)张敏教授，西澳大学雷文教授和圣塔克拉拉大学Cary Y Yang教授也参与了该工作。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.5c10990