科學通報 | 二維鈣鈦礦型鈮酸鹽多功能光電探測器

蘇州工學院張勇副教授及中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所助理研究員王琳在《科學通報》發(fā)表綜述文章“二維鈣鈦礦型鈮酸鹽多功能光電探測器”，概述了二維鈮酸鹽在光電探測領(lǐng)域的最新研究進展，評述了其在各類光電器件架構(gòu)中的多功能應(yīng)用，展望了該領(lǐng)域未來發(fā)展方向，同時為高性能二維鈮酸鹽光電器件的設(shè)計與開發(fā)提供了參考。

在信息爆炸的時代，光電探測技術(shù)如同我們的“電子眼”，是實現(xiàn)光信號與電信號轉(zhuǎn)換的核心。尤其在紫外探測領(lǐng)域（如環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學、安全預警、深空通信），高性能、穩(wěn)定且多功能的探測器需求迫切。然而，傳統(tǒng)材料常面臨穩(wěn)定性差、暗電流噪聲大、難以兼顧寬光譜響應(yīng)與高選擇性等瓶頸。二維鈮酸鹽憑借環(huán)境穩(wěn)定性、寬帶隙以及紫外光敏等特性，成為構(gòu)筑高性能、多功能光電探測器件的理想候選材料，并迅速在該領(lǐng)域積累了豐富且具有突破性的研究成果。隨著基礎(chǔ)實驗研究不斷深入，柔性器件、異質(zhì)結(jié)器件、人工突觸等新穎的器件設(shè)計理念層出不窮，但大量研究成果相對分散，缺乏從材料基礎(chǔ)到器件應(yīng)用、從物理機制到未來挑戰(zhàn)的系統(tǒng)性梳理與發(fā)展方向凝練。

本文全面梳理了二維鈮酸鹽在光電探測領(lǐng)域的最新研究進展，重點評述其在各類光電器件架構(gòu)中的多功能應(yīng)用，涵蓋基于單一材料的原型器件、旨在性能優(yōu)化的復合材料體系、模擬神經(jīng)形態(tài)的光電-突觸器件以及兼具光電與介電調(diào)控能力的集成器件等，深入剖析二維鈮酸鹽光電探測物理機制以及展望該領(lǐng)域未來發(fā)展方向，旨在為高性能二維鈮酸鹽光電器件的設(shè)計與開發(fā)提供參考。

性能卓越的“單兵作戰(zhàn)”：基于超薄鈮酸鹽納米片（如Sr2Nb3O10，Ca2Nb3O10）的單一材料紫外探測器展現(xiàn)出驚人的性能，響應(yīng)度高達1214 A/W（意味著極微弱的光信號也能產(chǎn)生強電信號），響應(yīng)速度達亞毫秒級，并在-200°C到500°C的超寬溫區(qū)穩(wěn)定工作。

“強強聯(lián)合”的復合結(jié)構(gòu)：為了拓展功能、優(yōu)化性能，將二維鈮酸鹽納米片與石墨烯量子點、MXene量子點、有機半導體等成功復合，將響應(yīng)度提升數(shù)倍至數(shù)十倍，抑制暗電流效果更顯著，甚至實現(xiàn)了快速響應(yīng)的自供電紫外通信器件，為可穿戴傳感和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供電提供了新思路。

晶圓級集成與智能成像：基于“電荷輔助有序組裝”等先進技術(shù)制備出大面積、均勻的鈮酸鹽薄膜，并構(gòu)建16×16甚至更大規(guī)模柔性器件陣列，不僅能實現(xiàn)高分辨率紫外成像，更能貼附于任意曲面（如玻璃半球），結(jié)合人工智能算法（如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），實現(xiàn)了對運動軌跡的高精度（>99.8%）實時識別。

邁向“類腦”智能（光電-突觸集成）：利用二維鈮酸鹽材料中缺陷態(tài)引起的“持續(xù)光電導效應(yīng)”構(gòu)建基于二維鈮酸鹽的光電突觸器件，成功模擬了生物突觸的學習、記憶（長/短期可塑性）、遺忘等功能。單個器件在超弱紫外光（70 nW/cm2）下即可工作，能耗低至37.9 fJ，通過偏壓調(diào)控，同一器件可在“光電探測模式”和“神經(jīng)突觸模式”間靈活切換，實現(xiàn)從圖像采集到模式識別的“一條龍”處理，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別準確率達92%，這為未來低功耗、高集成的類腦視覺芯片和加密通信奠定了基礎(chǔ)。

圖1 二維鈮酸鹽光電-突觸雙功能器件

光電-介電“雙料王”：將二維鈮酸鹽作為頂柵介質(zhì)層集成到二維半導體（如MoS2，WS2）晶體管中，不僅能提供優(yōu)異的柵極調(diào)控（低亞閾值擺幅，高開關(guān)比），二維鈮酸鹽本身的光活性還能與溝道材料協(xié)同增效，實現(xiàn)超高響應(yīng)度（5.5×103 A/W）和探測率。更妙的是，這種結(jié)構(gòu)在一個器件內(nèi)實現(xiàn)了紫外和可見光的雙波段區(qū)分探測，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

圖2 二維鈣鈦礦鈮酸鹽作為頂柵介電層的雙柵極光電晶體管的電氣特性與光響應(yīng)特性

盡管二維鈮酸鹽在光電探測器領(lǐng)域取得了顯著進展，要充分發(fā)揮二維鈮酸鹽在光電探測領(lǐng)域的潛力，仍面臨一些挑戰(zhàn)和機遇。當前自上而下的剝離工藝效率有待提升，需要開發(fā)更可控的方法獲得更大尺寸、更均勻的納米片和高質(zhì)量薄膜；對界面載流子行為、缺陷態(tài)精確調(diào)控的深入理解，是進一步提升器件性能和設(shè)計新型功能器件的關(guān)鍵；如何更高效地將鈮酸鹽的光電、介電、鐵電、突觸等多重特性協(xié)同集成于單一芯片，實現(xiàn)真正的“感-存-算”一體，是未來的核心研究方向。

圖3 二維鈮酸鹽多功能光電探測器展望

二維鈣鈦礦鈮酸鹽憑借其獨特的性能組合和豐富的功能可調(diào)性，已成為突破現(xiàn)有光電探測技術(shù)瓶頸的“明星材料”。從高靈敏、高穩(wěn)定的紫外“電子眼”，到可彎曲、可成像的柔性陣列，再到能學習、會記憶的“類腦”光電器件，它的應(yīng)用藍圖正徐徐展開。隨著材料制備、界面調(diào)控和集成技術(shù)的不斷突破，我們有理由期待，這種“中國智造”的新材料將在未來柔性電子、人工智能視覺、高端傳感和下一代信息技術(shù)的浪潮中扮演不可或缺的角色！

文章信息

張勇，王琳. 二維鈣鈦礦型鈮酸鹽多功能光電探測器. 科學通報, 2026, 71 (9): 1838-1851.

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