光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件，在生物成像、光通信和军事领域发挥着重要的作用。虽然传统的光电探测器已广泛商业化，但是也面临一些挑战。因此需要积极寻找新材料、发现新特性、设计新结构的器件来进一步提高光电探测器的性能。近年来，二维材料以其优异的物理、化学性能，成为新一代电子和光电子器件中一个独特而有前途的材料家族。同时，二维材料自然钝化的表面不存在悬挂键，可以很容易地与其它半导体材料构建可设计的范德华异质结。近年来已经成功探索出一系列基于不同器件结构和探测机制的二维光电探测器，用于探测紫外、可见光和红外区域的光信号。其中，二维MoSe₂具有宽可调带隙、高载流子迁移率以及良好的空气稳定性，被视为宽波段光点探测的理想材料。然而受限于超薄的厚度和基于机械剥离法和化学气相沉积法获得的较小尺寸，导致基于MoSe₂光电探测器的性能不理想，并且集成化器件制备难度大。

为了解决上述问题，郑州大学吴翟、林沛教授和加州大学曾龙辉博士等人采用原位金属转化范德华生长法成功制备出大面积的二维MoSe₂薄膜，设计构建了具有强陷光结构的硅金字塔阵列结构，从而构筑了MoSe₂/硅金字塔混合维度范德华异质结器件以及4×4阵列器件，得益于混合维度的增强光吸收和具有强内建电场的II型异质结构，成功实现了从紫外到短波红外（265 ~ 1550 nm）宽波段、高灵敏、自驱动光电探测与成像应用。器件在零偏压下的响应度高达0.67 A/W，比探测率为1.84×10¹³ Jones, 响应速度达到0.34/5.6 μs。此外，所构筑的4×4探测器阵列表现出出色的图像传感能力。该研究结果为实现高性能宽波段光电探测器与集成提供了一种有效的设计策略。

图1. （a-b）MoSe₂/金字塔Si异质结光电探测器；（c-f）二维MoSe₂的AFM，XPS和拉曼表征；（g-h）硅金字塔的俯视SEM图、高度和宽度统计图；（i）平面硅、金字塔硅、MoSe₂/平面硅和MoSe₂/金字塔硅的吸收光谱。

图2. 平面硅、金字塔硅、MoSe₂/平面硅和MoSe₂/金字塔硅在980 nm光照下的电场分布模拟。

图3.MoSe₂/金字塔Si异质结光电探测器在不同波长光照下的(a) I-V和（b）I-t曲线；异质结光电探测器的(c)能带图和（d）响应光谱。

图4. MoSe₂/金字塔Si异质结光电探测器在不同入射功率的980nm光照下的(a) I-V和（b）I-t曲线；（c）光电流拟合曲线；（d）不同功率下的响应度和比探测率；（e-f）探测器对不同频率的脉冲光信号的响应和响应速度。

图5. (a)MoSe₂/金字塔Si异质结4×4光电探测器阵列。(b)红外图像传感示意图。(c-d) 阵列器件在980 nm下对“2D”图案的红外成像结果。

吴翟，郑州大学物理学院教授，硕士研究生导师。一直从事低维半导体光电材料与器件的研究，近年来在Adv. Mater., Light: Sci. Appl. J. Am. Chem. Soc., ACS Nano等期刊上发表SCI论文190余篇，含ESI高被引论文18篇、热点论文3篇；他引8600余次，H因子为52。先后主持国家自然科学基金2项、河南省优秀青年基金以及其它省部级和横向项目6项；荣获河南省中原青年拔尖人才、河南省教育厅学术技术带头人、“三育人”先进个人、Nano Research Young Innovators Award（2021）荣誉和称号，入选斯坦福大学2022年度科学影响力排行榜和Top Materials Science Scientists in China。

Pan S, Wu S-E, Hei J, et al. Light trapping enhanced broadband photodetection and imaging based on MoSe₂/pyramid Si vdW heterojunction. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5650-x.

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