晶面工程调控(100)取向MoO2纳米带实现宽谱自驱动光电探测

本文报道了通过晶面工程(facet engineering)策略激活MoO2本征光电响应的突破性研究。研究者采用常压化学气相沉积(APCVD)制备出(100)晶面暴露的MoO2纳米带阵列，其柔性探测器在0.5-10.5 μm宽谱范围内实现自驱动(self-powered)探测，创下107.31 mA W-1响应度和6.64 pW Hz-0.5噪声等效功率(NEP)的纪录。研究揭示了基底依赖的光响应机制：硅基底以光热电效应(PTE)为主，柔性基底则呈现光测辐射热效应(PBE)，为金属氧化物高性能光电探测器开发提供了新范式。

　　

晶面工程解锁金属MoO₂的宽谱光电响应

在航空航天、生物医学成像和先进通信系统等领域，宽谱光电探测技术具有重要应用价值。传统半导体探测器受限于带隙限制、载流子迁移率低等问题，难以实现宽谱高效探测。二钼氧化物(MoO₂)虽具有优异的导电性(≈10⁵ S m^-1)和载流子迁移率(≈5500 cm² V^-1 s^-1)，但其光电响应一直未被开发。本研究通过晶面工程策略，首次实现了MoO₂的本征光电转换。

(100)晶面MoO₂纳米带的可控合成

研究团队开发了常压化学气相沉积(APCVD)方法，在c面蓝宝石基底上成功制备了大面积(2 cm×2 cm)的(100)取向MoO₂纳米带阵列。通过氢气还原避免了传统硫族辅助方法的污染问题，获得了高纯度产物。透射电镜分析显示纳米带为单晶结构，沿[020]和[10^-2]方向的晶面间距分别为0.477 nm和0.276 nm。X射线衍射和能谱分析证实其为单斜晶系MoO₂，Mo:O原子比≈1:2。

独特的光电性能表征

(100)晶面MoO₂展现出卓越的光电特性：在3-16 μm波长范围内平均吸光度超过20%，远高于(010)晶面(<1%)的吸光度。电学测试显示其电导率达10⁷ S m^-1，载流子迁移率为664.13 cm² V^-1 s^-1，优于黑磷(303 cm² V^-1 s^-1)和二硫化钼(183 cm² V^-1 s^-1)。理论计算表明其零带隙特性和不对称原子排列增强了光-物质相互作用。

基底依赖的光响应机制

在SiO₂/Si基底上，器件表现出光热电效应(PTE)主导的自驱动光响应，10.5 μm光照下响应度达22 mA W^-1，噪声等效功率(NEP)为30.8 pW Hz^-0.5，响应时间仅21/30 μs。而在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性基底上，由于热导率差异(0.04 vs 100 W mK^-1)，光响应转变为光测辐射热效应(PBE)主导，响应度提升至107.31 mA W^-1，NEP降至6.64 pW Hz^-0.5，创下自驱动光电探测器的新纪录。

柔性器件的优异性能

柔性MoO₂光电探测器在弯曲60°时仍保持稳定性能，实现了从可见光(0.5 μm)到长波红外(10.5 μm)的宽谱探测。在10.5 μm波长下，器件展现出1370 mA W^-1的高响应度和0.95 pW Hz^-0.5的超低NEP。通过81×191像素扫描模式，成功实现了"SYSU"图案的长波红外成像，展示了其在可穿戴光电系统中的应用潜力。

研究意义与展望

这项工作不仅解决了MoO₂光电响应受限的科学难题，更确立了晶面工程开发高性能金属氧化物光电器件的通用策略。通过揭示基底热导率调控光响应机制的规律，为柔性光电子器件设计提供了重要指导。(100)晶面MoO₂纳米带兼具宽谱响应、高灵敏度和快速响应的特点，在航空航天探测、医疗成像和环境监测等领域展现出广阔应用前景。