客户成果丨江南大学《Applied Surface Science》基于等离激元辅助的InSe /WSe2范德瓦尔斯异质结的超快自供能光电探测器

江南大学集成电路学院肖少庆教授课题组在低维半导体材料光电器件领域中取得最新进展，该研究成果以“Ultrafast Self-Powered Photodetector Based on Plasmon-assisted InSe/WSe2 van der Waals heterostructures”为题发表在《Applied Surface Science》期刊。

光电探测器作为传感器的重要分支，在军事国防、航空航天和图像传感等领域具有关键作用。二维过渡金属二硫化物（TMDs）因其层数依赖的带隙和强光物质相互作用成为研究热点。其中，二硒化钨（WSe2）具备无悬挂键的表面及层间弱范德华力，可与铟硒（InSe）构建异质结。然而，二维材料的有限厚度限制了其光吸收能力，导致范德华异质结的光电响应较弱。本文采用机械剥离法制备WSe2/InSe异质结，通过金纳米颗粒修饰和铟膜表面功能化，系统研究了表面等离激元共振及表面工程对材料光电特性的影响。通过将金纳米颗粒（Au NPs）与WSe2/InSe异质结进行集成，并使用In层对异质结表面进行功能化处理，器件在447至1550 nm宽带光谱范围内的光吸收性能得到了显著增强。该器件能够在室温条件下工作，在零偏置电压下相较于原始的WSe2/InSe异质结器件，其光电性能有了明显提升。具体表现为，器件的响应度达到1.39 A/W，探测率达到4.23×1011 cmHz1/2W-1，同时具备2.7 μs的超快响应速度。这些优异的性能，结合可控金属纳米结构的高效规模化制造优势，随着二维材料合成与转移技术的不断进步，展现出了在低功耗纳米级光电器件的大规模生产及智能制造领域的巨大潜力。

图1 InSe/WSe2/Au NPs混合结构光电器件结构和特性。

图2 InSe/WSe2/Au NPs混合结构光电探测器电学特性及工作机理。

该器件基于InSe/WSe2范德华异质结结构，通过在异质结底部引入Au纳米颗粒构建混合结构，采用Pt和Ni/Au金属分别作为源极和漏极，利用重掺杂Si衬底及SiO2作为栅极结构。第一性原理模拟表明InSe/WSe2异质结呈典型的II型能带对准，有利于电子和空穴的有效分离。拉曼与PL光谱分析验证了异质结的高质量与Au纳米颗粒修饰后显著增强的发光强度。AFM分析确定了异质结构的厚度。电学测试显示器件在暗态下具有良好整流特性，且在多波段光照下展现出优异的光响应性能，尤其是在短波长下响应增强明显。开尔文探针测量揭示了InSe与WSe2之间的费米能级差异及功函数，有助于理解其能带结构。Au纳米颗粒通过等离子体共振效应增强局部电场，不仅提升了光吸收效率，还促进了高能电子注入及载流子分离，有效抑制复合，显著提升了光电转换性能。

图3 InSe/WSe2/Au NPs异质结构器件的自供电光探测性能。

图4 光伏上升/衰减时间和频率响应。

为直观验证金纳米颗粒阵列引入后对光电性能的增强作用，研究对比了InSe/WSe2/Au NPs器件与原始InSe/WSe2异质结器件在零偏压下的自驱动光电响应。结果显示，Au纳米颗粒修饰的器件在447 nm等多波段激光照射下展现出更高的光电流响应和更优的可切换性。通过计算响应度（R）、探测率（D*）、噪声等效功率（NEP）及外量子效率（EQE）等关键参数，在低光强条件下，该混合结构器件的R和D*分别较原始结构提升了三个数量级和两个数量级，最大R达1.39 A/W，D达4.23×1011Jones，EQE高达386%。波长依赖性分析表明，Au纳米颗粒的LSPR效应显著提升了短波段下的光吸收和光生电荷分离效率，进而增强响应性能，且R在长波下逐渐减弱，符合LSPR影响随波长减弱的特性。在1 V偏压下，器件性能进一步提升，R最高达4.4 A/W，D*达1.13×1012Jones。该器件还表现出极快的响应速度，零偏压下上升时间为7.41 μs，衰减时间为2.74 μs，显著快于未修饰器件，归因于II型异质结产生的强内建电场以及金纳米颗粒诱导的局域电场增强。频率响应测试显示器件可稳定工作至85 kHz，截止频率约为100 kHz，具备探测高频光信号的能力。综合比较显示，该混合结构器件在响应度、响应速度等方面均优于多数已报道的零偏置InSe或WSe2基光电探测器，充分证明了Au纳米颗粒在提升器件性能方面的关键作用。

图5 In/InSe/WSe2/Au NPs混合结构器件的装置图及近红外光探测性能。

为提升器件对近红外波段的探测能力，在InSe/WSe2/Au NPs混合结构器件顶部沉积约18 nm的In薄膜。拉曼光谱表明，该沉积过程未破坏原有异质结构，材料特征峰保持稳定，说明In膜封装过程中结构完整性良好。在1550 nm波长激光照射下，器件表现出明显的光响应行为，光电流随光强增加而增强，且具有良好的可切换性与重复性。在1 V和0 V偏压下均展现出稳定的自驱动光响应性能，进一步验证了异质结中有效的载流子分离机制和内建电场作用。响应速度测试显示器件在近红外激光下仍具备快速响应能力，上升与衰减时间分别为32 ms和18 ms。在1 V偏压下，器件的最大响应度达到2.76 mA/W，探测率为7.96×108 Jones，说明其在近红外波段也具备一定的探测能力。In薄膜的引入不仅改善了器件的环境稳定性，也拓展了其光谱响应范围，对近红外波段的光电探测起到积极作用。

江南大学集成电路学院硕士生李丽，翁正进副教授为论文共同第一作者，江南大学集成电路学院教授肖少庆，副教授南海燕，法国国家科学研究中心波与物质研究实验室肖鹏为论文通讯作者。

该工作中通过使用 TuoTuo Technology的无掩模光刻机完成了器件制备工艺。该项研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省研究生科研与实践创新计划等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163670