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为解决传统单极势垒红外探测器复杂的异质集成和精确带工程问题，研究人员开展基于超薄极性势垒（UTPB）的红外光电探测研究。结果显示，利用极化水插层的WSe2/H2O/PdSe2异质结构可实现亚皮安暗电流探测。该研究为高性能红外探测提供新途径。
在科技飞速发展的今天，红外光电探测技术广泛应用于安防监控、军事国防、环境监测等诸多领域。然而，传统的单极势垒红外探测器，如 nBn 和 pBp 架构，在实际应用中面临着严峻挑战。它们需要复杂的异质集成和精确的带工程，才能实现对一种载流子的有效阻挡和对另一种载流子的顺利传输。但即便如此，仍然难以避免暗电流的产生，导致探测性能受限。同时，基于传统红外材料的探测器，在实现理想的带对齐和晶格匹配方面困难重重，严重阻碍了高性能探测器的发展。
为了突破这些困境，来自湖南大学、中国科学院上海技术物理研究所等多个机构的研究人员展开了深入研究。他们另辟蹊径，提出了一种全新的超薄极性势垒（UTPB）策略，为红外光电探测领域带来了新的曙光。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了广泛关注。
研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：首先，通过机械剥离法获取WSe2和PdSe2薄片，并采用水吸附和范德华组装技术构建了WSe2/H2O/PdSe2异质结构；其次，利用原子分辨成像和显微镜技术对异质结构的界面进行表征；此外，借助密度泛函理论（DFT）计算对器件的能带结构和电荷传输进行分析；最后，通过多种电学和光电测量手段对器件的性能进行测试。
设计超薄极性势垒结构
传统的通过二维层堆叠来实现理想单极势垒 nBn 结构的方法困难重重，关键在于难以找到能同时满足足够大的导带偏移（ΔEc）和可忽略的价带偏移（ΔEv）的材料。研究人员提出的 UTPB 概念则另辟蹊径，利用具有可控极化方向的超薄极性势垒层，通过特定极化场耗尽 n 型接触层中的电子，有效阻挡电子流动，实现亚皮安暗电流；同时，极化电场助力光生空穴直接隧穿，提升光电流。基于此，研究人员构建了WSe2/H2O/PdSe2结构作为典型的 UTPB 探测器。扫描透射电子显微镜（STEM）分析显示，n 型接触层WSe2和 n 型吸收层PdSe2厚度适宜，水层均匀且厚度仅为 0.75nm，整个结构无缺陷，为高性能探测奠定了基础。
操作原理与分析
对WSe2/H2O/PdSe2UTPB 器件的光电性能测试发现，在黑暗状态下，无论施加何种偏压，器件电流均处于亚皮安水平，这表明WSe2接触层中的电子被完全耗尽。微弱光照时，器件能迅速开启，且信噪比高。与其他不同势垒类型的器件相比，含H2O势垒的器件暗电流最低，光电流显著，在弱光条件下优势更为明显。DFT 计算表明，在特定偏压下，异质结的能带排列为 III 型，有利于光生空穴的自由流动，且超薄水层不会阻碍载流子收集，极化场还能增强其运动。对器件温度相关输出特性的分析显示，H2O势垒器件暗电流在宽温度范围内极低且稳定，光电流与温度无关，遵循直接隧穿（DT）机制；而其他对比器件存在多种问题，如扩散电流、产生 - 复合电流等。这些结果充分证明了H2O势垒在抑制暗电流和增强光电流方面的卓越性能，为高性能和高温（HOT）光电探测器提供了可能。
亚皮安暗电流光电探测
WSe2/H2O/PdSe2器件在光电探测方面表现出色。在黑暗状态下，其电流稳定在约 20fA 的超低水平；极微弱的光照射即可激活器件，使其进入导电状态，且光电流随光功率密度增加而增大，在 532nm 激光照射下，光暗电流比最大可达2×107，线性动态范围约为 53.6dB。该器件在可见到中波红外（MWIR）范围内响应良好，尤其是在 MWIR 区域，即使在 4600nm 波长处，仍能保持较高的开关比和快速响应，上升 / 衰减时间约为 3μs， -3dB 截止频率高达 0.2MHz，远超多数先前报道的二维异质结光电探测器。此外，由于PdSe2的各向异性，器件能够区分宽带偏振光。经过 5000 次连续激光脉冲测试和长达两年的大气稳定性测试，器件的暗电流和光电流均保持稳定，展现出良好的耐久性和稳定性。
红外检测指标与基准
研究人员对器件的红外检测性能进行了量化评估。该器件在室温下噪声电流极低，1/f噪声和散粒噪声均显著低于多数二维异质结和二维晶体管。在整个可见到 MWIR 范围内，器件的响应率约为 0.3A/W，在 MWIR 区域，光暗电流比仍能维持在103左右，具有较高的信噪比。计算得到的噪声等效功率（NEP）在可见到近红外（NIR）区域约为10?15WHz?1/2 ，在 MWIR 区域约为10?14WHz?1/2 ；比探测率（D?）在可见和 NIR 区域大于1011cmHz1/2W?1 ，在 MWIR 区域也保持在1010cmHz1/2W?1以上。与传统红外探测器和二维材料基红外探测器相比，该器件的暗电流密度低至1×10?2Acm?2 ，比商业红外探测器低 3 - 4 个数量级；在 MWIR 范围内，其探测率与商业的 HgCdTe、PbSe 和 InAsSb 探测器相当，甚至在 4.6μm 波长处，多数 MWIR 探测器性能下降时，该器件仍能保持较高探测率。
综上所述，研究人员通过提出超薄极性势垒策略，并构建极化水插层的WSe2/H2O/PdSe2结构，成功实现了亚皮安暗电流的红外光电探测。该研究成果有效克服了传统带工程和晶格匹配的难题，为下一代红外探测器的发展开辟了新道路，有望实现小像素尺寸、高工作温度、与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容等高性能指标。同时，纳米水插层概念及其原理也为范德华电子学提供了新的电学调制方向，为制造各种二维电子和光电器件带来了新的希望 。
