The Innovation Materials | ‌广义光栅压效应：低维光电探测器的新兴设计策略

光诱导栅压调制现象在低维光电探测器中被广泛报道，并深刻影响性能和功能拓展。本文从“光诱导栅控”这一共性物理图像出发，梳理分散在不同材料和结构中的相关机制，为低维光电探测器的设计提供更加统一的理解框架。

导  读

光电探测器能够将光信号转化为电信号，是现代光电子系统中的关键组件。近年来，二维材料、一维纳米线、零维量子点等低维材料为光电探测器的发展提供了新的机遇，也带来了丰富的光电调控机制。其中，光栅压效应是一类极具代表性的机制：光照产生的局域电场或等效栅压，可以像“栅极”一样调控器件中低维材料的电导，从而产生或调制器件的光电响应。本文提出并梳理广义光栅压效应，为低维光电探测器的理解和设计提供统一视角。

图1 图文摘要

在低维光电探测器中，由于低维材料对外部电场非常敏感，光照所引起的局域电荷积累、电势变化或界面电场调制，往往可以像晶体管中的栅压一样，显著改变沟道材料电导，进而产生光响应信号。这种“光诱导栅控作用”，正是光栅压效应的核心。最常见的光栅压效应来自缺陷或界面俘获态（图2A）。当光照产生电子和空穴后，其中一种载流子可能被缺陷、杂质或异质结构界面局域俘获，形成局域电场调控器件中低维材料的电导。

随着低维材料器件结构的发展，光诱导栅控机制变得越来越丰富（图2B-F）。例如，在由低维光敏材料和导电沟道材料组成的异质结构中，界面内建电场可以驱动光生电子和空穴分离，使电荷在界面附近重新分布并产生光生电场。这种光生电场会压缩沟道中的耗尽区宽度，从而增加器件中的电导区域。类似地，热释电材料吸收红外光后产生温度变化，引起表面极化电荷重新分布，也可以对其表面的二维材料沟道产生类似的光致栅控作用。此外，光敏材料也可以作为低维光电探测器栅介质或栅控通道的一部分：在暗环境中，光敏材料电阻较高，外加栅压难以有效调控器件中的导电沟道；当光照降低其电阻后，栅压调控增强，器件电导随之改变。因此，光照不仅可以在低维光电探测器中“直接产生光生电场”，还可以改变栅压对器件电导的调控，从而实现“光调制栅控”。

这些现象虽然来源不同，却有共同的物理本质：光照产生光生电场，或改变器件栅压，从而调控光电探测器的电场分布、沟道电流、载流子密度、耗尽区宽度、能带弯曲和势垒高度，最终改变器件的光电流（图2G）。因此，本文将这些已报道的各类低维光电探测器的电导调控机制统一到“广义光栅压效应”框架下。这个框架是在传统概念基础上进一步拓展，把更丰富的光诱导栅控现象纳入同一广义体系。广义光栅压效应的意义在于，它为低维光电探测器设计提供了一条思路：与其只关注某一种材料或器件的某一个性能指标，不如从“如何产生有效光栅压”以及“如何有效调控器件导电沟道”这两个问题出发，系统优化材料选择、界面设计和器件结构等。通过这种方式，有望在高增益、低暗电流、快速响应、宽光谱探测和多功能感知之间取得平衡和突破。

图2  广义光栅压效应介绍

总结与展望

广义光栅压效应为理解低维光电探测器中的多种光诱导栅控现象提供了统一框架，也为器结构设计提供了可迁移的思路。当前研究表明，该效应在提升器件光响应灵敏度（兼顾增益-带宽）以及实现双向光响应和非易失光电流等方面具有重要潜力，并有助于赋能视觉预处理、运动识别和光电逻辑等功能的实现。未来，随着低维材料大面积制备、阵列化加工和异质集成技术的发展，广义光栅压效应有望进一步推动高性能和多功能光电探测器的发展。

责任编辑

王建彬   闽江大学

程佳吉   湖北大学