室温中波红外（MWIR）光电探测在光通信、复杂环境侦察、量子信息、自主导航、医疗诊断和遥感控制等前沿应用中发挥着关键作用。二维PtSe₂具有高度倾斜的狄拉克锥和无带隙的能带结构以及拓扑电子态。这种能带结构使其具有超宽光谱吸收范围，并为光生载流子的分离提供了独特的优选路径，从而有效减少光生载流子的复合和散射。此外，PtSe₂还具有高载流子迁移率和优异的环境稳定性，使其成为开发中波红外光电探测的热门候选材料。基于二维材料表面天然钝化的事实，范德华（vdW）异质集成已成为一种可靠的方法，其能够在不受晶格失配限制的情况下，通过不同材料和结构的高自由度配置来优化器件。这一策略被用于优化载流子传输和能带对齐，从而在二维异质结中实现增强的红外光电探测性能。近年来，基于II型狄拉克半金属的红外光电探测器被设计为多种具有内置电场的异质结构，旨在抑制大暗电流的同时提高灵敏度和加速响应速度。基于PtSe₂的红外光电探测器在灵敏度或响应速度方面表现出色。然而，基于PtSe₂的红外光电探测器在中波红外波段通常响应率较低，且难以同时实现高灵敏度和快速响应。
据麦姆斯咨询报道，近日，由厦门大学、国防科技大学和安徽大学的科研团队通过充分利用PtSe₂和MoTe₂纳米片的优异光电特性，成功制备了PtSe₂/MoTe₂范德华异质结中波红外光电探测器。该探测器在中波红外波段（2.75 - 4.25 µm）表现出优异且稳定的光电响应，在长波红外（LWIR）波长10.6 µm处，仍表现出0.12 A·W⁻¹的响应率和6.3 × 10⁷ cm·√Hz·W⁻¹的探测率。该光电探测器在4050 nm下的响应速度为560 µs，比热时间常数（15 ms）快一个数量级，并与先进的室温中波红外光电探测器相当。凭借其快速响应速度，PtSe₂/MoTe₂光电探测器成功应用于红外光通信系统中的信号接收，为ASCII码传输提供了关键的探测应用。这项研究有望帮助理解二维异质结物理，并为下一代节能、低成本和高性能红外光电子学提供基础。这项研究以“High-Sensitive Uncooled Mid-Wave Infrared Photodetector Based on PtSe2/MoTe2 Heterojunction with Fast Speed”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。
研究团队通过机械剥离将多层PtSe₂和MoTe₂薄片分别从相应的块体材料中分离到SiO₂/Si衬底上，接着采用电子束光刻技术制备PtSe₂/MoTe₂异质结器件，并通过电子束蒸发沉积10 nm/70 nm的Pd/Au电极。PtSe₂/MoTe₂范德华异质结光电探测器及其表征如图1所示。
图1 PtSe₂/MoTe₂范德华异质结光电探测器的表征
在制备PtSe₂/MoTe₂异质结后，研究团队对PtSe₂和MoTe₂之间的能带对准进行了详细研究，相关结果如图2所示。能带对准以及异质结界面的内置电场是阐明光生载流子转移机制的决定性因素。
图2 PtSe₂/MoTe₂异质结的能带对准
接着，研究团队探究了PtSe₂/MoTe₂光电探测器在室温下从中波红外到长波红外波段的光电特性，相关结果如图3所示。PtSe₂/MoTe₂光电探测器的光响应在中波红外波段属于光伏效应、光门效应和辐射热效应综合贡献的结果。如图4所示，PtSe₂/MoTe₂光电探测器在室温下表现出卓越的中波红外探测能力，并且在长波红外波段表现出不错性能。
图3 PtSe₂/MoTe₂光电探测器在中波红外至长波红外波段下的光电特性
图4 PtSe₂/MoTe₂光电探测器具有高灵敏度的宽带光响应
响应速度是表征光电探测器跟踪快速变化的光信号能力的另一个关键指标，通常通过响应时间来衡量。鉴于PtSe₂/MoTe₂光电探测器的宽带响应，研究团队分别在可见光、近红外和中波红外波段对其光响应速度进行了详细测量，相关结果如图5所示。
图5 PtSe₂/MoTe₂光电探测器的快速光响应和红外通信应用
综上所示，这项研究充分发挥PtSe₂的优异特性，并解决其在光电探测应用中的固有瓶颈，从而成功实现了PtSe₂/MoTe₂异质结在中波红外波段的卓越光电探测性能。凭借其快速的光响应，PtSe₂/MoTe₂光电探测器在光通信和信息技术的物联网等前沿应用的信息传输中发挥至关重要的作用。这项研究有助于理解多层异质结中的光电机制，并为未来开发高性能、节能、低成本的红外光电器件提供重要参考。
https://doi.org/10.1002/adfm.202423102
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