东南大学张彤教授AFM：基于Bi2Te3/石墨烯异质结与光热机制及Au天线协同增强的超宽带、自供能、高灵敏度光电探测器

成果介绍

超宽带光电探测器（UB-PDs）在多类应用场景中具有重要价值。然而，现有超宽带探测器的发展仍受限于器件性能与工作条件，自供能超宽带探测器的研究亟待推进。

近日，东南大学张彤教授团队展示了一种基于Au-Bi₂Te₃-石墨烯的范德华异质结构，通过光场调制、结构热管理与强热电系数非对称性的协同转换机制，实现了可见光至毫米波的自供能探测。通过集成金属耦合天线结构，增强了器件对低能光子（毫米波至太赫兹波段）的收集能力。此外，设计从多角度、多机理出发引入热电非对称条件，显著增强了电势差。该器件首次在该材料体系中实现了超宽带响应与太赫兹波段性能，在340 GHz处达到6.29 A·W⁻¹的峰值响应度。太赫兹成像与毫米波编码通信的演示验证了其多场景应用潜力。该研究成果展示了一种通过单一驱动机制下多物理变量的优化协同，实现高响应与自驱动的超宽带探测路径，为未来复杂场景、多功能化、小型化光电探测技术的发展开辟了新方向。

图文导读

图1。 a) 光照下Au-Bi₂Te₃-石墨烯异质结器件示意图及Bi₂Te₃原子结构图。b) 异质结区域的原子力显微镜图像（插图）及沿白色虚线测量的相应高度剖面。c) 532 nm激光激发下Bi₂Te₃与石墨烯区域的拉曼光谱。

图2。 a) Au-Bi₂Te₃-石墨烯异质结器件的光学显微图像。b) 耦合天线在80 GHz下的局域场分布。c) 天线在50至400 GHz频段内的接收电场强度分布。

图3。 a) 开尔文探针力显微镜测量显示的金属电极、Bi₂Te₃与石墨烯之间的接触电势差。b) 异质结在暗态及光照（940 nm）下的 I_ds−V_ds 特性曲线。c) 接触前后 Au、Bi₂Te₃ 与石墨烯的能带对齐示意图。

图4. Au-Bi₂Te₃-石墨烯异质结光电探测器在零偏压下的器件性能。a) 器件在太赫兹至毫米波段（80、170、340 GHz）辐照下的光响应。b) 1 kHz调制频率下的时间分辨光电流响应。c) 器件在80 GHz不同调制频率下的响应波形。d) 异质结器件在638 nm、940 nm及1550 nm光照下的光响应。e) 器件在638 nm光照下光电流随光功率的变化关系。f) 异质结器件在超宽频段的响应度、探测率与噪声等效功率。

图5. a) Au-Bi₂Te₃-Au 器件的光学显微图像。b) 异质结在暗态下的 I_ds−V_ds 特性曲线。c) 940 nm 聚焦激光照射下光电流与光照位置的关系（位置如插图所示）。d,e) Au-Bi₂Te₃-Au 与 Au-Bi₂Te₃-石墨烯器件在 940 nm 波长照射下的扫描光电流成像。f) Au-Bi₂Te₃-石墨烯异质结探测器光热电（PTE）机制示意图。

图6. a) 太赫兹单像素成像演示系统示意图。b) 刻有“SEU”镂空图案的金属板（扫描区域位于方框内）。c) 170 GHz辐照下的扫描成像结果。

图7. a) 毫米波强度编码光通信系统示意图。b) 上部表示快门控制信号（以ASCII码发送消息“SEU”），下部为器件接收到的信号。

结论与展望

综上所述，该工作成功制备了一种基于拓扑异质结Au-Bi₂Te₃-石墨烯的自供能探测器，实现了从可见光到毫米波段的超宽带光电探测。研究证明，通过多机制的协同增强可显著提升探测性能。该探测器在室温条件下表现出高响应度与微秒级响应时间，在340 GHz处最高响应度达6.29 A·W⁻¹，在简化零偏压散粒噪声近似条件下，对应噪声等效功率下限约0.88 pW·Hz⁻¹/²。基于器件优异性能，将其应用于太赫兹波段扫描成像，并在170 GHz高频下获得成像结果。同时，得益于器件对毫米波段的响应能力，展示了80 GHz频率下的ASCII编码通信，并成功解码读取“SEU”。两项应用演示证明了该器件在多任务场景下的通用性。本研究为超宽带光电探测的性能优化提供了新的思路。

文献信息

X. Li, Z.-G. Liu, Z.-Z. Hu, et al. “Ultrabroadband, Self-Powered, Highly-Sensitive Photodetector Based on Bi₂Te₃/Graphene Heterostructure Synergistically Enhanced with Photothermal Mechanisms and Au Antenna.” Adv. Funct. Mater. (2025): e12087.

文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202512087