光電探測(cè)器具有將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能力，這使得它們?cè)谇鍧嵞茉础⒊上瘛⑼ㄐ拧h(huán)境監(jiān)測(cè)和生物傳感等潛在領(lǐng)域至關(guān)重要。大多數(shù)研究人員都在通過材料優(yōu)化和器件架構(gòu)設(shè)計(jì)來追求光電器件的小型化和高性能。對(duì)于全功能的光電芯片來說，探索在強(qiáng)光下具有高光響應(yīng)的光電探測(cè)器元件的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)光子電路中關(guān)鍵電信號(hào)傳輸?shù)谋匾獥l件當(dāng)在高功率條件下工作時(shí)，半導(dǎo)體材料很容易接近飽和吸收的臨界點(diǎn)，器件內(nèi)部也受到熱效應(yīng)的嚴(yán)重影響這些不利因素會(huì)降低設(shè)備的性能，甚至導(dǎo)致不可逆的損壞，從而形成許多阻礙其持續(xù)高效運(yùn)行的關(guān)鍵瓶頸。新報(bào)道的光探測(cè)器表現(xiàn)出超線性光響應(yīng)，不僅將吸收的光子轉(zhuǎn)化為超線性增加的光響應(yīng)，而且在高輻照度下通過熱耗散和離子-聲子散射等多種物理機(jī)制有效地分配和耗散多余的能量多角度的能量利用和分配策略可以有效調(diào)節(jié)和減輕入射光功率過大對(duì)光電探測(cè)器的潛在損害，從而保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和性能優(yōu)化。它有可能突破現(xiàn)有光電探測(cè)器對(duì)高大光功率密度強(qiáng)光的線性響應(yīng)限制，進(jìn)一步增強(qiáng)光電信號(hào)的強(qiáng)度和處理能力。

本研究開發(fā)的具有魯棒超線性光響應(yīng)特性的p-Te/n-MoS₂范德華異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器克服了傳統(tǒng)器件在高水平下隨光輻照度增加而性能因數(shù)降低的局限，為低功耗、高效率的智能光學(xué)器件的發(fā)展提供了重大突破。在0v偏置570nm光照下，該探測(cè)器表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，其響應(yīng)率為74 mA/W，比探測(cè)率為4.1 × 1010 Jones，上升/下降時(shí)間為35/34 μs，光電流各向異性比為1.85。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，該設(shè)備在強(qiáng)光下保持競(jìng)爭(zhēng)的光探測(cè)性能，這歸因于其超線性光響應(yīng)。具體而言，其超線性光響應(yīng)值在254 nm處達(dá)到2.0，同時(shí)在寬帶響應(yīng)區(qū)域也顯示出突出的超線性值。結(jié)合理論分析，超線性光響應(yīng)主要?dú)w因于一維Te單晶的光門控機(jī)制及其優(yōu)異的空穴傳導(dǎo)能力。這項(xiàng)研究為創(chuàng)造高性能光電探測(cè)器鋪平了道路，在高分辨率成像、光譜分析、神經(jīng)形態(tài)網(wǎng)絡(luò)等方面具有潛在的應(yīng)用前景。

（1）利用簡(jiǎn)單的PVD方法，實(shí)驗(yàn)得到了具有高線性二色性、優(yōu)異的空穴導(dǎo)電性和獨(dú)特的各向異性性能的一維Te單晶。

（2）制作的p-Te/n-MoS₂ vdWH光電二極管能夠以自供電的方式實(shí)現(xiàn)寬帶、超快響應(yīng)和顯著的偏振敏感光探測(cè)。

（3）p-Te/n-MoS₂光電探測(cè)器顯示出光功率相關(guān)的巨大的超線性光響應(yīng)。

圖1. Te/MoS₂結(jié)構(gòu)載流子動(dòng)力學(xué)的理論計(jì)算。(a) 300 k時(shí)Te/MoS₂模型的MD模擬過程中溫度（右軸）和總能量（左軸）隨時(shí)間的變化。(b) Te/MoS₂模型的電荷密度。(c) Te/MoS₂模型的靜電電勢(shì)。(d) Te/MoS₂界面的差電荷密度。(e)從Te（藍(lán)線）和Te/MoS₂模型（紅線）中提取的計(jì)算DOS。

圖2. Te 單晶的生長(zhǎng)和表征。(a) 低維Te單晶生長(zhǎng)過程的示意圖結(jié)構(gòu)。(b) Te單晶的光學(xué)顯微鏡圖像。(c) Te單晶的拉曼光譜。在(d)正交偏振和(e)平行偏振構(gòu)型下，拉曼光譜隨Te旋轉(zhuǎn)角度的等高線彩色圖。分別在(f)正交和(g)平行極化構(gòu)型下，E₁和E₂模式隨偏振角度的拉曼強(qiáng)度極坐標(biāo)圖。

圖3. Te/MoS₂光電探測(cè)器的表征。(a)器件在光照射下的示意圖。(b) Te/MoS₂光電探測(cè)器的SEM。(c) Te/MoS₂光電探測(cè)器的表面電位差。(d) MoS₂、Te及相關(guān)Te/MoS₂結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光光譜。(e)在V = 0 V下工作時(shí)200-1000 nm的光電流(f)在黑暗和254、405和570 nm光波長(zhǎng)下繪制的器件的I-V曲線（P = 5.0 mW/cm²）。

圖4. p-Te/n-MoS₂光電探測(cè)器的光響應(yīng)特性。在(a) 254、(b) 405和(c) 570 nm波長(zhǎng)下，Te/MoS₂探測(cè)器的R和D*隨光輻照度的變化。(d)作為調(diào)制頻率函數(shù)的歸一化光電流強(qiáng)度。(e)器件在0.1 kHz、2.5 kHz和4 kHz不同頻率下對(duì)脈沖光（570 nm）的光響應(yīng)特性。(f)響應(yīng)速度通過在4 kHz斬波頻率下測(cè)量光電流隨時(shí)間的變化來評(píng)估。

圖5. Te/MoS₂ vdWH探測(cè)器的超線性光響應(yīng)。在波長(zhǎng)為(a) 254、(b) 405和(c) 570 nm照射時(shí)，光電流與不同激光功率密度的關(guān)系。（d-f） 0 V偏置下電流密度與入射光強(qiáng)的冪律擬合。(g)當(dāng)器件分別被波長(zhǎng)為254、405和570 nm的光照射時(shí)，Te表面態(tài)效應(yīng)捕獲光生電子的能力。(h)激發(fā)態(tài)熱化、復(fù)合、捕集和脫落過程的能帶圖。E_c、E_v、E_f、E_t分別表示導(dǎo)帶、價(jià)帶、費(fèi)米能級(jí)和缺陷能級(jí)。

圖6. (a)偏振Te/MoS₂光電探測(cè)器原理圖。零偏壓下Te/MoS₂異質(zhì)結(jié)在入射波長(zhǎng)分別為(b) 254、(c) 405和(d) 570 nm時(shí)的偏振光開關(guān)響應(yīng)。入射波長(zhǎng)為(e) 254、(f) 405和(g) 570 nm，各向異性比分別為2.42、2.17和1.85時(shí)，零偏壓下偏振光響應(yīng)率的極坐標(biāo)圖。(h) Te/MoS₂極化敏感光電探測(cè)器與其他低維材料和MoS₂基光電探測(cè)器的二向色比比較。

圖7. (a) 偏振成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)置。字母“Te”分別在(b) 254、(c) 405和(d) 570波長(zhǎng)下在0°和90°處的成像模式。