中山大学刘飞、深圳大学张文静InfoMat：高性能可见光和近红外双波段光电探测器--基于具有垂直反转极化特性的二维NbS3纳米片

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与传统单波段光电探测器相比，双波段光电探测器对复杂环境中的目标识别和导航等具有显著优势。然而，传统双波段探测器在多个光吸收层和复杂的光学元件的组合集成方面存在明显限制。因此，基于单一传感材料同时实现对可见和近红外光的有效调制对于推动双波段探测器面向集成化和小型化的实际发展具有重要意义。

为了解决上述技术难题，中山大学电子与信息工程学院的刘飞教授与深圳大学微纳光电子学研究院的张文静教授合作，利用二维三硫化铌（NbS₃）纳米片中线性二色性（LD）的反转特性，构筑了一种具有单一光吸收层的可见光和近红外（NIR）双波段偏振光电探测器。二维NbS₃光电探测器在可见光和NIR波段展现出优良的选择性探测能力，通过调控入射光的偏振角从0°到90°，可见光区域的光电流不断减少，而NIR区域的光电流却逐渐增大。同时，NbS₃光在可见光和NIR波段中所表现出的截然不同的光响应特性还能够显著增强光电探测器对于双波段的信息识别能力。此外， NbS₃光电探测器还具有高速的光响应特性（光响应时间为28 µs），这使其在可见光和NIR双波段实现准确、高分辨和快速的偏振成像。

该工作以题为“High-performance visible and near-infrared dual-band photodetector based on anisotropic 2D NbS₃ with perpendicularly reversed polarization behaviors” 在线发表在国际知名学术期刊 InfoMat。本文工作中，刘季冬博士和甘海波博士为共同第一作者，通讯作者为中山大学的刘飞教授和深圳大学光电子学研究院的张文静教授。文章的主要内容如下：

首先，研究人员用第一性原理分别计算了二维NbS₃的ab面和bc面在导带底(CBM)和价带顶(VBM)位置的电荷态密度（PCDs），结果表明波函数沿a轴和b轴的空间分布有很大的差异，这说明二维NbS3在光吸收和电学输运方面都具有明显的各向异性。随后，研究人员还利用角分辨偏振拉曼（ARPRS）来研究二维NbS₃的晶体取向。结果表明，在平行和交叉偏振配置下，随着偏振角度的改变，二维NbS₃的6个特征拉曼峰强度都发生了周期性的变化。这种角度依赖的偏振拉曼特性揭示出二维NbS3纳米片具有本征各向异性的晶体结构和光学性质。

图1. (A) NbS₃体材料的电子能带结构。(B, C) NbS₃材料的CBM和VBM处的电荷态密度。(D) 机械剥离二维NbS₃纳米片的光学图像。(E−G) 分别以0°、45°和90°的偏振角激发二维NbS₃的拉曼峰强度图。(H) NbS₃纳米片角分辨拉曼光谱。(I) 在平行和垂直偏振条件下，二维NbS₃ 151 cm⁻¹处归一化拉曼峰强度的极坐标分布曲线。

面内各向异性的结构赋予了二维NbS₃各向异性的电学特性。如图2所示，研究人员探索了二维NbS₃的角分辨电学输运性质。通过测试沿不同方向（对角电极）场效应晶体管的电学输运特性曲线，NbS₃纳米片的源漏电流也表现出明显的角度依赖关系：沿着b轴（0°）方向的源漏电流大于沿着其他三对电极方向，而沿着a轴（90°）方向具有最小的源漏电流，电导率之比（σ_b/σ_a）为6.5，优于其他已报道的二维各向异性材料如GeSe₂、PdPSe和b-As，这表明NbS3纳米片的电学输运特性具有显著的各向异性。此外，研究人员发现NbS₃纳米片器件沿b轴的电子迁移率为最大值20.2 cm² V⁻¹ s⁻¹，沿a轴为最小值3.4 cm² V⁻¹ s⁻¹，沿a、b两轴方向的迁移率之比（μ_b/μ_a）为5.9，这进一步验证NbS₃具有典型的N型传输特性和各向异性的电学输运行为。

图2. 二维NbS₃纳米片的电学输运表现出明显的各向异性。

紧接着，研究人员探究了NbS₃纳米片在可见光和红外光波段的光响应特性（图3）。在532 nm的入射光下，纳米器件的最大光响应度达到18 A W⁻¹，并且其在0.48~79.38 mW cm⁻²的宽功率密度范围内都表现出稳定和快速的光开关响应。此外，研究人员发现二维NbS₃光电探测器不仅在400~1700 nm波长范围内都具有明显的光响应特性，而且其光响应时间仅为28 μs，这表明二维NbS₃器件具有快速的宽光谱探测能力。

图3. NbS₃纳米片器件具有高速的宽光谱光电响应特性。

NbS₃纳米片本征的各向异性和优良的光电探测能力还使其拥有灵敏检测线偏振光的能力。在300~890 nm的光谱范围内，NbS₃纳米片沿b轴的光吸收强度大于沿a轴的光吸收强度；而在890 ~ 2000 nm的光谱范围内，NbS₃纳米片沿a轴的光吸收强度却大于则沿b轴的光吸收强度，这表明二维NbS₃的LD极性在波长890 nm附近发生了反转。随后，研究人员通过构筑基于NbS₃的光电探测器来进一步探索其偏振敏感特性和波长选择性。研究表明：当入射光偏振角为0°时，二维NbS₃光探测器在450 nm光照下具有最强的光响应特性，而在1300 nm下具有最弱的光响应特性；但是，当入射光偏振角切换为90°时，二维NbS₃光电探测器却在1300 nm光照下表现出最强的光响应特性，在450 nm时具有最弱的光响应特性。光电探测器件在切换偏振角时所表现出不同的光谱响应特性与纳米片中的垂直LD反转行为很好地吻合。研究人员还通过线偏振度（DLP）定量地描述了器件的可见-近红外双波段偏振光响应。研究表明，当DLP值位于0 ~ 1之间时，可以判断其入射波长在830 nm以下；而当DLP值位于−1 ~ 0之间，则可判定入射波长在830 nm以上。因此，当调控入射光的偏振角分别为0°和90°时，二维NbS₃光电探测器可以快速地分辨出830 nm以下的可见光波长和830 nm以上的红外波长。

图4. (A) 二维NbS₃纳米片沿a轴和b轴的理论吸收光谱。(B, C) 在700 nm和1150 nm波长下NbS3纳米片的角分辨吸收光谱。(D) Graphene-NbS₃-Graphene光电探测器结构示意图。(E, F) 器件在450 nm和1300 nm的偏振光照射下的光电流分布图。(G) 器件在450 nm和1300 nm偏振光照射下光电流的极坐标绘制图。(H) 450nm、830nm和1300nm偏振光照射下，NbS₃纳米器件光电流的时间响应曲线。(I) 器件在可见光至近红外波段（450 ~ 1300 nm）的DLP值分布曲线。

由于二维NbS₃光电探测器具有快速的光响应特性，因此能够对不同光照条件下所产生的偏振敏感光电流实现空间成像。如图5所示，在532 nm的可见光照下，该探测器在0°（90°）偏振角时具有最大（最小）光电流。相反，在1064 nm的近红外光照下，探测器在90°（0°）偏振角下表现出最大（最小）光电流，这些结果与NbS₃的波长选择光响应特性相一致。最后，研究人员又利用NbS₃纳米片光电探测器实现了对可见光和近红外双波段高速、高分辨的偏振成像，这也暗示着基于单一材料二维NbS₃纳米片构筑的光电探测器在分辨可见光和近红外信号方面具有方便、快速的独特优势。

图5. NbS₃纳米片光电探测器成功实现可见光-近红外双波段的高分辨、快速偏振成像。

结论：

总之，我们系统研究了二维NbS₃纳米片强烈的面内各向异性和双波段偏振成像能力。理论和实验研究结果都表明：当入射光的偏振角从从0°变化到90°时，二维NbS₃纳米光电探测器在波长低于830 nm的可见光波段和高于830 nm的近红外波段表现出截然不同的光响应特性。同时利用二维NbS₃器件，我们还在532 nm 和1064 nm两个波段实现了高分辨、快速地偏振成像。本文所提出的拥有可见光和近红外光双波段探测能力的二维NbS₃ 纳米器件能够为制造多光谱选择性光电探测器提供一种简单且有效的技术路线，进而推动未来新一代高维度光电探测技术的发展。

High-performance visible and near-infrared dual-band photodetector based on anisotropic 2D NbS₃ with perpendicularly reversed polarization behaviors

Jidong Liu, Haibo Gan, Qiaoyan Hao, Yonghong Zeng, Youning Gong, Jiaqi Zhu, Jiarui Huang, Fei Liu*, Wenjing Zhang*

DOI: 10.1002/inf2.12625

Citation：InfoMat, 2024, e12625

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《信息材料（英文）》（InfoMat）是由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办的国产金色OA学术期刊，聚焦信息技术与材料、物理、能源、生物传感以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究，创刊主编为李言荣院士。

● 国产金色OA英文期刊

● 影响因子22.7；CiteScore37.7

● 中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊

● 中科院分区材料科学1区期刊

● 收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD、CAS、INSPEC等数据库

● 2022、2023年连续入选中国最具国际影响力学术期刊（Top5%）

● 2021、2022、2023年连续三年获评已进入世界期刊TOP5%

● 发表原创性研究论文、综述、前瞻性论文

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