客户成果丨复旦大学《Small》1D/2D混合范德瓦尔斯异质结中的单极势垒工程用于高性能宽带偏振敏感光电探测

复旦大学未来信息创新学院丛春晓课题组在低维异质结构光电器件领域取得重要研究进展，该研究成果以“Unipolar Barrier Engineering in 1D/2D Hybrid Van der Waals Heterostructures for High-Performance Broadband Polarization-Sensitive Photodetection”为题发表在国际期刊Small上。

摘要

该工作围绕新一代红外与偏振光电探测器的核心瓶颈问题展开。一维纳米线材料（如Bi2S3）具有天然各向异性，适合用于偏振探测，但器件往往存在暗电流大、信噪比低、响应速度慢等问题，限制了实际应用。

研究团队创新性地将传统红外探测器中的单极势垒（nBn）结构设计理念引入一维/二维范德华异质结构体系，构建了Bi2S3纳米线/WS2单极势垒/Bi2S3的新型光电探测器架构。通过精确的能带工程调控，实现了对暗电流的有效抑制，同时保持光生载流子的高效输运。实验结果表明，该器件暗电流降低约4个数量级，在可见–近红外波段均保持高响应度和高探测率，在980 nm近红外波段探测率达到1011cm·Hz1/2·W-1量级，并具备稳定的偏振敏感探测能力。该工作将传统红外探测中的单极势垒设计理念成功引入1D/2D范德华异质结构体系，为构筑高性能偏振光电器件提供了新范式。

具体研究/工作内容

如图1所示，研究团队首先在衬底上生长Bi2S3纳米线，采用无掩模光刻完成电极结构的快速加工，随后采用飞秒激光在单根纳米线中间形成可控间隙区域，并转移二维WS2层作为势垒层，构建Bi2S3/WS2/Bi2S3结构。该结构在沟道中引入可控的单极势垒，用于抑制暗电流同时保持光生载流子的高效传输。

图1. 器件结构与制备流程

如图2所示，从器件工作机理来看，WS2与Bi2S3之间形成了对电子具有较大势垒、对空穴势垒较小的能带对齐关系，使暗电流对应的多数载流子在势垒处被有效阻挡，而光生少数载流子可顺利跨越势垒参与电流输运，从而在不牺牲光响应的前提下显著抑制暗电流，实现“暗电流过滤 + 光电流保持”的单极势垒工程调控机制。

图2. Bi2S3/WS2/Bi2S3单极势垒器件能带示意及载流子输运机理

如图3所示，该单极势垒器件在457–980 nm的可见至近红外宽光谱范围内均表现出稳定而显著的光电响应，相较于无势垒结构器件，响应速度由百毫秒量级显著提升至毫秒量级，并稳定保留了Bi2S3纳米线的偏振敏感特性；同时，在与近期报道的偏振光电探测器性能对比中，本工作在响应度与探测能力上处于领先水平，体现出该结构在高性能宽带偏振探测应用中的潜力。

图3. Bi2S3/WS2/Bi2S3单极势垒器件的宽光谱响应、响应速度及偏振性能展示

在器件加工过程中，研究团队使用了TuoTuo Technology无掩模光刻系统（TTT-07-UV Litho-ACA (MX)）完成电极结构制备。该设备无需掩模即可实现高精度图形化加工，显著缩短了器件设计—制备—测试的迭代周期，特别适用于低维材料异质结构器件的快速原型验证与结构优化，大幅提升了科研效率。

作者信息介绍：申淑雯为论文第一作者，仇志军教授、丛春晓研究员为共同通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202512087