物联网和智能设备的兴起推动了自供能光电探测器的发展，这些探测器在环境监测、光通信等领域有着广阔的应用前景。然而，传统探测器存在制冷系统复杂、成本高和难以集成等问题。如石墨烯（Gr）、黑磷、过渡金属二硫化物等二维（2D）材料因其原子级薄结构和强光-物质相互作用而成为设计新型探测器的理想材料。通过范德华力结合不同二维材料，可以设计出高性能、宽带、自供能的光电探测器。
自供能光电探测器的设计通常涉及构建异质结、PN结和肖特基结，以实现光生电子和空穴的有效分离。尽管PN结和肖特基结被广泛研究，但半导体/金属界面对器件性能的影响常被忽视。优化这一界面对于提高光电探测性能至关重要。传统的金属电极不透明，限制了垂直器件的构建。石墨烯因其超薄和透明特性，适合构建垂直PN结光电探测器。硒化铟（InSe）和碲化钼（MoTe₂）是新兴二维材料，具有适当的带隙和高迁移率，适用于高性能光电探测器。理论上，n型InSe与p型MoTe₂结合可形成PN结，实现自供能光电探测。但InSe与传统金（Au）电极形成的肖特基势垒不利于高性能光电探测。石墨烯的功函数小于Au，与InSe形成的肖特基势垒界面几乎可以忽略不计，因此在InSe/MoTe₂的PN结InSe侧使用石墨烯作为电极，有望提高光电探测性能。
据麦姆斯咨询报道，上海交通大学材料科学与工程学院高立明团队的研究团队使用干法转移方法构建了基于二维Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结构（vdWH）的自供能光电探测器。相关研究成果以“Self-Powered and Vis-Infrared Broadband Gr/InSe/MoTe2 Heterostructure Photodetectors with Ultra-Fast Response and Low Dark Current”为题，发表在Laser & Photonics Reviews期刊上。
这项研究设计的Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结光电探测器的示意图如图1a所示。MoTe₂、InSe和Gr依次自下而上堆叠在预先准备的Au电极的SiO₂/Si衬底上。作为顶电极的Gr改善了InSe和Au之间的界面接触。在InSe/MoTe₂界面形成了PN结，PN结区域的内建电场与MoTe₂/Au界面区域的内建电场方向相同。图1c展示了该研究制备的Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结器件。
图1 Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结器件的结构和材料表征
首先，研究人员探查了原始MoTe₂和Gr/InSe器件的输出和传输特性。随后，研究人员研究了Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结器件的光响应特性和光伏特性，相关结果如图2所示。
图2 Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结器件在不同功率强度、405nm光照下的光响应特性和光伏特性
接着，研究人员在405-980 nm的可见光-近红外光谱范围内研究了Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结器件的波长依赖性光响应性能，相关结果如图3所示。在自供能模式下，器件的特定探测率（D*）高达2.9×10¹¹ Jones，光开关比达到10⁵。
图3 Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结器件在不同波长光照下的光响应性能
得益于内建电场和Au/InSe界面势垒的降低，Gr/InSe/MoTe₂范德华异质器件展示了出色的自供能光电探测性能。光响应速度是光电探测器的关键参数。该器件展现出19/14 μs的超快光响应上升（τrise）和下降（τfall）时间，以及零偏压下8.5×10⁻¹⁴ A的极低暗电流，相关结果如图4所示。同时，该器件实现了405-980 nm的宽带自供能光电探测，相关结果如图5所示。
图4 Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结光电探测器的稳定性和光响应特性
图5 Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结光电探测器的自供电光电探测机制
最后，这项研究展示了Gr/InSe/MoTe₂范德华异质光电探测器在成像和光通信领域的应用，如图6，展示了其在光电探测、成像和光通信领域的巨大潜力。
图6 Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结光电探测器的成像和光通信应用
综上所述，这项研究成功构建了基于Gr/InSe/MoTe₂范德华异质结构的自供能光电探测器。该探测器实现了14微秒的超快响应速度和8.5×10⁻¹⁴ A的极低暗电流，展现了高达10⁵的光开关比和从可见光到红外波段的宽光谱探测能力。该研究强调了优化半导体/金属界面在提升PN结器件性能中的重要性，并展示了Gr/InSe/MoTe₂异质结器件在自供能光电探测、成像和光通信领域的巨大潜力。
https://doi.org/10.1002/lpor.202400480
