科學(xué)通報(bào) | 打破單極極限，雙極光譜響應(yīng)探測(cè)器解鎖多維度應(yīng)用新可能

近日，南京航空航天大學(xué)施大寧教授、姜明明教授課題組在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表了題為“雙極光譜響應(yīng)探測(cè)器及其應(yīng)用研究進(jìn)展”的綜述文章。文章分析了雙極光譜響應(yīng)探測(cè)器的核心工作機(jī)制，包括能帶工程、物理效應(yīng)耦合、缺陷態(tài)誘導(dǎo)和光電化學(xué)機(jī)制等，闡述了該類型器件在光電邏輯門、加密通信、成像編碼和仿生視覺(jué)等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

作為獲取外部信息的主要元件，光電探測(cè)器能將光信息轉(zhuǎn)化為可輸出的電信號(hào)，在自動(dòng)駕駛、智能夜視及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著信息多元化的發(fā)展，迫切需要更先進(jìn)的光電探測(cè)器來(lái)滿足信息維度的提升。傳統(tǒng)光電探測(cè)器大多具有單極響應(yīng)特性(單一的正響應(yīng)或者負(fù)響應(yīng))，僅能處理有限光譜的入射光，制約了輸出信號(hào)維度的進(jìn)一步拓展。雙極響應(yīng)探測(cè)器能夠在輸入光信號(hào)或外部工作條件發(fā)生變化時(shí)，將其光響應(yīng)信號(hào)在正向和負(fù)向之間切換，可擴(kuò)展信息維度，為實(shí)現(xiàn)通信加密、圖譜編碼、色彩感知和智能芯片計(jì)算開(kāi)辟了道路. 目前，雙極響應(yīng)光電探測(cè)器已成為光電子器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，雙極光譜響應(yīng)探測(cè)器的核心優(yōu)勢(shì)在于，可以將波長(zhǎng)這一光學(xué)本征參量轉(zhuǎn)化為極性調(diào)控維度，僅通過(guò)切換光源波長(zhǎng)即可控制響應(yīng)的極性，在安全光通信、全光計(jì)算、色彩感知等領(lǐng)域具備不可替代性（圖1）。

圖1 雙極光譜響應(yīng)探測(cè)器的發(fā)展

本文從工作機(jī)制、前沿應(yīng)用、挑戰(zhàn)與展望三個(gè)方面，全面解析雙極光譜響應(yīng)探測(cè)器的核心價(jià)值。

首先分析雙極光譜響應(yīng)探測(cè)器的工作機(jī)制，主要包括四類：一是能帶工程調(diào)控，通過(guò)構(gòu)建單個(gè)異質(zhì)結(jié)（如鈣鈦礦/硅）或多結(jié)結(jié)構(gòu)形成反向內(nèi)建電場(chǎng)，不同波長(zhǎng)的光被特定層吸收后引發(fā)載流子分離與競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致光電流極性反轉(zhuǎn)；二是物理效應(yīng)耦合，將光熱電效應(yīng)、等離激元效應(yīng)（如金屬納米顆粒局域表面等離子體共振產(chǎn)生熱電子）、體光伏效應(yīng)、輻射熱效應(yīng)等與光伏效應(yīng)結(jié)合，通過(guò)光熱或熱電子注入，動(dòng)態(tài)調(diào)制內(nèi)建電場(chǎng)或載流子流向；三是缺陷態(tài)或表面態(tài)誘導(dǎo)，利用材料缺陷（如硒空位）或表面吸附分子（如氧氣）的光控吸附/脫附過(guò)程，改變載流子濃度或類型，實(shí)現(xiàn)光電導(dǎo)極性切換；四是光電化學(xué)輔助機(jī)制，在電解質(zhì)環(huán)境中，不同波長(zhǎng)光觸發(fā)半導(dǎo)體/溶液界面特定的氧化還原反應(yīng)（如析氫/析氧反應(yīng)），驅(qū)動(dòng)載流子轉(zhuǎn)移方向改變。這些機(jī)制共同核心是通過(guò)波長(zhǎng)選擇性調(diào)控載流子的產(chǎn)生、分離、傳輸或復(fù)合路徑，從而實(shí)現(xiàn)光電流方向的動(dòng)態(tài)切換。

其次闡述了雙極光譜響應(yīng)探測(cè)器通過(guò)響應(yīng)模式的極性特點(diǎn)可開(kāi)發(fā)一系列先進(jìn)的前沿應(yīng)用。在光電邏輯運(yùn)算中，單一探測(cè)器即可通過(guò)波長(zhǎng)選擇直接實(shí)現(xiàn)AND、OR、NOT、NAND、NOR等布爾邏輯功能，替代傳統(tǒng)多器件組合，為光計(jì)算提供簡(jiǎn)化且可重構(gòu)的硬件基礎(chǔ)。在安全光通信領(lǐng)域，利用特定波長(zhǎng)與電流極性的綁定關(guān)系，可將信息加密于混合光信號(hào)中，僅持有密鑰波長(zhǎng)的接收端能正確解調(diào)，顯著增強(qiáng)通信的抗干擾與防竊聽(tīng)能力，已成功演示于紫外至短波紅外的多波段加密傳輸。在成像方面，其無(wú)需濾光片即可區(qū)分光譜的特性，被用于多光譜成像與色彩識(shí)別，簡(jiǎn)化成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)在加密成像中利用極性編碼實(shí)現(xiàn)信息隱藏與提取。在仿生系統(tǒng)中，它成功模擬了人視網(wǎng)膜雙極細(xì)胞對(duì)色彩的拮抗處理，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)色彩感知與動(dòng)態(tài)對(duì)比度調(diào)節(jié)，并進(jìn)一步通過(guò)正負(fù)光電流模擬神經(jīng)突觸的興奮與抑制信號(hào)，構(gòu)建人工光電突觸，應(yīng)用于神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)感知與聯(lián)想學(xué)習(xí)等仿生計(jì)算場(chǎng)景。

最后，分析了雙極光譜響應(yīng)探測(cè)器所面臨的挑戰(zhàn)，例如性能平衡（如高響應(yīng)度與快速度、寬光譜與高靈敏度的矛盾）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與集成難度（特殊結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容性差），以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性（鈣鈦礦及二維材料易退化、表面態(tài)機(jī)制易受環(huán)境干擾、光電化學(xué)系統(tǒng)電解液易失效）等挑戰(zhàn)。未來(lái)雙極光譜響應(yīng)探測(cè)器可聚焦于突破多物理場(chǎng)協(xié)同新機(jī)制，開(kāi)發(fā)高性能、高穩(wěn)定性且工藝兼容的新材料體系，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)寬光譜高靈敏度兼容與超快極性切換，并拓展其在高容量加密通信、動(dòng)態(tài)智能成像及感算一體仿生視覺(jué)等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，推動(dòng)其從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)落地。

南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院姜明明教授為本文通訊作者，萬(wàn)鵬助理教授為第一作者。相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(12374257，62404101)的資助

文章信息

萬(wàn)鵬, 何濤, 魏筠, 等. 雙極光譜響應(yīng)探測(cè)器及其應(yīng)用研究進(jìn)展. 科學(xué)通報(bào), 2026, 71(9): 1947–1963

https://www.sciengine.com/CSB/doi/10.1360/CSB-2025-5134

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