CuInP/2Se/6/MoS2异质结光电探测器具备快速响应、光学逻辑处理及智能图像识别功能

CuInP2Se6/MoS2二维异质结光电探测器通过Ⅱ型带对齐和界面电场调控实现亚微秒响应、907 A·W⁻¹超响应度及宽光谱响应（300-720 nm），并具备光电子OR逻辑和99%智能成像准确率，为光子计算与神经形态感知提供集成平台。

王倩瑾|张洪晨|丁俊|杨培志|刘英凯|谭秋红

云南师范大学物理与电子信息学院，中国昆明650500

摘要

二维（2D）范德华异质结构光探测器已成为下一代光电子系统的有希望的候选者。然而，它们的实际性能常常受到界面载流子复合和电荷提取效率低下的限制。本文报道了一种高性能的CuInP₂Se₆/MoS₂范德华异质结光探测器，该探测器通过工程化的II型能带对齐和界面电场调制克服了这些挑战。在367纳米的光照下，该器件的超高效响应度（R）达到907 A W⁻¹，光响应时间快速，上升和衰减时间分别为7.6微秒和9.0微秒。这些指标超过了大多数先前报道的基于MoS₂的异质结光探测器。从机制上讲，II型能带对齐和内置电场协同作用，促进了光生载流子的有效分离并抑制了界面复合，从而实现了卓越的光检测性能。此外，该器件还展示了光学OR逻辑功能，能够对光或栅极刺激做出响应，显示出其在传感器集成逻辑架构中的潜力。单像素成像实验进一步验证了其出色的成像能力，卷积神经网络辅助的图像识别准确率接近99%，证明了逻辑功能光晶体管在智能视觉系统中的集成潜力。这项工作建立了一个可重构的2D光电子平台，将快速光检测与嵌入式逻辑和视觉处理相结合，为片上光子计算和类脑感知提供了一种有吸引力的策略。

引言

二维（2D）范德华异质结构由于具有可调的能带结构、原子级锐利的界面以及与多功能集成的兼容性，因此在下一代光探测器中具有巨大的潜力[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。其中，过渡金属硫属化合物（TMDCs），特别是MoS₂，由于其高载流子迁移率和强光-物质相互作用而受到了广泛研究[[8], [9], [10], [11], [12], [13]]。然而，基于MoS₂的光探测器仍存在一些固有局限性，包括狭窄的光谱响应范围、缓慢的光响应速度以及由缺陷状态引起的显著界面复合[10]。通过混合设计（如MoS₂/CH₃NH₃PbI₃和CsPbBr₃/MoS₂异质结）来提高性能的方法已经显示出响应度和电荷分离效率的改善[14,15]。然而，较长的恢复时间、有限的带宽和复杂的器件结构阻碍了它们的实际应用。其他设计，包括SnS₂/MoS₂和MoS₂/有机界面，虽然有所改进，但很少能同时实现亚微秒级的响应速度和高增益[16,17]。这些局限性主要源于扩展的载流子传输路径、由晶格失配或残留物引起的界面陷阱状态[18,19]，以及缺乏可调的界面电场[20,21]。要克服这些限制，需要新的材料平台，这些平台应具备内置的电场调制和有利的能带对齐。

CuInP₂Se₆（CIPSe）是一种层状铁电半导体，其在光探测器应用中具有独特优势。其垂直于平面的可切换极化特性使得界面电场可以动态调节，而其合适的能带结构在与TMDCs结合时促进了有效的电荷分离和提取[[22], [23], [24], [25], [26], [27]]。然而，迄今为止尚未有关于CIPSe/MoS₂异质结光探测器的实验研究。尽管已有类似结构的铁电材料/MoS₂光探测器被报道[28]，但这些研究使用了绝缘的铁电聚合物P(VDF-TrFE)，虽然可以通过铁电极化调节MoS₂的电子行为，但无法同时实现快速高效的光生载流子分离。

在这项工作中，我们报道了一种通过可扩展的干转移方法制造的高性能CIPSe/MoS₂范德华异质结光探测器，该方法无需化学键合或高温退火即可获得干净的界面[29]。由于有利的II型能带对齐和内置电场，该异质结能够实现有效的载流子分离并抑制复合，而栅极电压驱动的铁电-光电耦合允许动态调节载流子传输。该器件表现出从300到720纳米的宽带光响应、7.6微秒的快速响应时间、907 A W^{−1R）、3×105%的外部量子效率（EQE）和5.7×1011 Jones的特定检测率（D*），性能优于大多数报道的基于MoS₂的光探测器。此外，栅极可调操作实现了逻辑级的光响应，开/关比超过104，并具有内在的光学OR逻辑行为。除了传统的光检测功能外，与卷积神经网络（CNNs）集成的单像素器件能够实现智能成像和高达99%的准确率直接图像识别，证明了这种可重构的2D光电子平台在集成光检测、逻辑运算和传感器计算中的潜力。}

设备制备

一个1.5厘米×1.5厘米的SiO₂（100纳米）/Si基底依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗，然后用氮气干燥。通过电子束蒸发和阴影掩模沉积了相互交叉的Ti/Au电极（间距：10微米）。机械剥离的CIPSe和多层MoS₂薄片垂直堆叠并转移到电极上形成异质结通道。为了实现背栅操作，部分移除了SiO₂层以暴露下面的

结果与讨论

为了评估剥离纳米片的结构质量，首先对多层MoS₂进行了高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）分析。如图1(a)所示，晶格分辨图像显示了1.6埃的明确层间间距，对应于2H-MoS₂的（110）面。选定的区域电子衍射（SAED）图案（插图）显示出具有明显六重对称性的尖锐六边形点，表明其单晶质量。衍射对称性与P63/mmc空间群一致

结论

总之，我们展示了一种高性能的CIPSe/MoS₂范德华异质结光探测器，它将栅极电压调制与II型能带对齐协同作用，实现了宽带、快速和可逻辑操作的光电功能。该异质结表现出卓越的光响应特性，包括907 A W^{−1R、5.7×1011 Jones的D*和微秒级的响应时间，性能优于大多数先前报道的基于MoS₂的器件}

CRediT作者贡献声明

王倩瑾：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、数据管理、概念构思。张洪晨：撰写——初稿、验证、项目管理、方法论、数据管理。丁俊：监督。杨培志：项目管理、方法论、概念构思。刘英凯：监督、项目管理、资金获取、概念构思。谭秋红：监督、资源管理、项目管理、研究、资金获取

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号62464014、12464025和12264056）、云南省基础研究计划（编号202401AT070134）、面向南亚和东南亚的科技创新中心建设项目（编号202403AP140015）以及昆明市高层次人才引进与培养计划（编号2022SCP005）的支持。