随着现代通信技术的发展，对宽带、室温红外和太赫兹（THz）探测器的需求迅速增长。这些探测器在电信、安全检查、非破坏性测试和医学诊断等领域有着至关重要的应用。然而，现有的光探测器面临着诸如高本征暗电流和需要低温冷却等挑战，这些限制了它们在探测低能光子方面的效率。特别是在太赫兹波段，光子能量不足以激发价带最大值（VBM）到导带最小值（CBM）的电子跃迁，使得有效的光电转换难以实现。因此，研究者们一直在寻找能够在室温下工作，且能够响应从可见光到太赫兹波段的超宽带探测器。
二维材料因其独特的物理和化学性质，如层依赖的带隙、高迁移率、平面各向异性和有效的静电门控，成为了半导体技术中的理想材料。近年来，基于二维材料的光子和光电子应用不断涌现，包括从太赫兹到紫外波段的宽带光探测器。黑磷（BP）作为一种范德瓦尔斯半导体，因其窄带隙和高载流子迁移率而展现出主要由光导、光伏、光热电和等离子体波整流机制驱动的光响应，但在环境稳定性方面存在严重限制。黑砷烯（b-As）作为磷烯的“表亲”，因其出色的环境稳定性和对氧化及环境降解的高抵抗力而备受关注。
据麦姆斯咨询报道，近日，由中国计量大学、中国科学院上海技术物理研究所（简称：中国科学院上海技物所）、东华大学、国科大杭州高等研究院和意大利拉奎拉大学（University of L’Aquila）组成的科研团队提出了一种室温下工作的基于二维黑砷烯纳米片的高性能超宽带光电探测器。该器件在可见光、近红外和太赫兹光谱范围内均具有响应性，在 520 nm波长下的响应性达到 91.6 A/W ，在 1550 nm波长下的响应性达到 6.3 A/W ，在 0.27 THz波长下的响应性达到 7.8 V/W。基于黑砷烯的光电探测器能够通过复杂的逻辑运算实现安全的太赫兹通信，实现强大的数据加密和高性能信号处理。这项研究以“Multispectral Integrated Black Arsenene Phototransistors for High-Resolution Imaging and Enhanced Secure Communication”为题发表在ACS Nano期刊上。
图1展示了黑砷烯薄膜及其性能表征。为了验证黑砷烯光电探测器的宽带探测能力，研究人员探测了室温下黑砷烯光电探测器在从可见光到近红外（NIR）波段的响应度，相关探测性能如图2所示，其中，图2a展示了黑砷烯光电探测器的示意图。
图1 展示了黑砷烯薄膜及其性能表征
图2 可见光到近红外波段黑砷烯光电探测器的光探测性能表征
为了促进高性能的太赫兹探测，研究人员设计了通过在二维电子气体（2DEG）中进行等离子波混合来实现高频整流的黑砷烯场效应晶体管（FET）。图3a显示了该器件的原理图和等效电路图。
图3 黑砷烯FET的传输特性
为了在室温下测量太赫兹探测，研究人员采用了两个VDI乘法器，通过使用锁相技术实现光响应测量，相关探测和成像结果如图4所示。
图4 黑砷烯FET太赫兹探测器的实验性能和高分辨率成像
最后，基于从可见光到太赫兹的超宽带响应特性，该多光谱集成FET器件在同时接收光纤信号和无线通信信号方面具有极好的潜力。
图5 黑砷烯FET超宽带光电探测器的光电逻辑门
这项研究展示了黑砷烯光探测器在从可见光到太赫兹频率范围内的高效运行能力。这些器件在可见光到近红外区域表现出优越的性能，具有高响应度和快速、大面积成像能力，且无需低温冷却。研究人员通过高分辨率太赫兹成像验证了这些光探测器的实际应用潜力，展示了它们在无需低温冷却的情况下的稳健性能。独特的架构使得这些探测器能够执行复杂的逻辑操作，如AND和OR门，这对于安全数据加密和强大的信号处理至关重要。
尽管在高质量黑砷烯的合成、大面积均匀性和精确控制厚度方面存在挑战，但通过先进的合成技术和保护策略来解决这些挑战，将对实现黑砷烯在实际器件中的全部潜力至关重要。尽管存在这些限制，但研究人员通过充分利用黑砷烯的光谱能力，为开发集成光电子器件铺平了道路，这些器件满足了现代电信、生物医学成像、环境监测和安全检查日益增长的需求。黑砷烯在室温下的稳定性和效率提供了一种易于获取且成本效益高的解决方案，预示着其对基础科学和技术应用可能产生的影响。
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14512
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