基于范德华异质结键合的金刚烷烯超低紫外光子探测：界面工程提升光电性能新突破

针对金刚石基材料自由电子水平低制约紫外光电探测性能的难题，研究人员通过范德华(vdW)异质结键合技术构建金刚烷烯探测器，实现2.04 A/W的高响应度和>1012 Jones的探测率，在28个光子条件下仍可清晰成像，为超高灵敏度紫外探测器发展提供新范式。

　　

在光电探测领域，深紫外（200-280 nm）光谱信息的高灵敏度、抗干扰检测一直是技术难点。传统材料如Ga₂O₃和GaN虽被广泛研究，但存在带隙限制、氧空位缺陷等问题，而金刚石虽具有>2,000 cm² V^?1 s^?1的高载流子迁移率，却受限于自由电子浓度不足。如何突破这一瓶颈，成为推动紫外探测器发展的关键。

国防科技大学的研究团队创新性地采用范德华（van der Waals, vdW）异质结键合技术，将少层石墨烯和六方氮化硼（hBN）与金刚石基底结合，构建出具有界面键合结构的金刚烷烯（diamondene）光电探测器。这项发表于《Research》的研究，通过理论计算与实验验证相结合，揭示了该器件在太阳盲区紫外波段（220-236 nm）的卓越性能：响应度达2.04 A/W，外量子效率（EQE）高达1.1×10³%，探测率（D*）超过10¹² Jones，并实现仅需28个光子的超弱光成像。

研究团队运用密度泛函理论（DFT）结合GW-贝特-萨尔皮特方程（GW-BSE）方法进行理论计算，通过高压不可逆键合技术制备器件，并采用半导体分析仪和230 nm紫外光源完成光电性能表征。

结果部分的核心发现包括：

1. 光电机制解析：BSE计算显示金刚烷烯在5.28 eV（B₁）和5.73 eV（B₂）处存在强振子强度的亮激子，对应220-246 nm吸收峰，与实验数据吻合。介电函数和光导率计算证实其性能优于β-Ga₂O₃、GaN等材料。
2. 器件性能突破：在230 nm光照下，器件响应度达2.04 A/W，比传统金刚石探测器（45 mA/W）提升45倍；暗电流与光电流差异达2,000倍，响应/衰减时间约62 μs。
3. 超灵敏成像验证：构建的扫描成像系统在3.9 μW/cm²光强下获得高分辨率"NUDT"图案，并在0.2 μW/cm²（约28个光子）条件下仍可识别五角星轮廓，经灰度处理和线性降噪后图像特征更清晰。

这项研究通过vdW异质结工程成功提升金刚烷烯的自由电子水平，解决了金刚石基材料导电性差的根本问题。其创新性体现在：① 理论预测与实验验证结合，阐明激子-声子耦合增强光电流的物理机制；② 器件在230 nm波段的响应度比Ga₂O₃器件高20倍；③ 首次实现金刚石基探测器在近单光子水平的成像应用。该成果为深紫外探测在空间通信、生物医学等领域的应用开辟了新途径，特别是为极端弱光环境下的目标识别提供了革命性解决方案。