德州扑克规则

近日，德州扑克规则 光电功能材料器件与物理团队联合多家科研机构，在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了一项突破性研究成果“Trap-Mediated Spectral Shaping in Sb2Se3/Au van der Waals Junction for Turbid-Water Communication and High-Precision Artificial Vision”，文章一作何涛博士，通讯作者姜明明研究员。研究团队基于单晶Sb2Se3微片与金微片构筑了范德华结型光电探测器，成功实现了无需滤光片的超窄带近红外探测（中心波长1020 nm，半高宽仅约46 nm），同时兼具超过16的超高偏振各向异性比、195.7 mA/W的响应度和7.74×1011 Jones的比探测率。该器件在零偏压下即可自驱动工作，并在浑浊水域光通信和高精度偏振成像等应用中展现出卓越性能。

研究背景

近红外波段（约0.9–1.7 μm）同时覆盖了光纤通信的低损耗窗口与诸多关键感知应用的特征光谱区，是光电融合系统中信号接收、光谱分析与信息处理的核心频谱资源。在航空航天领域，近红外偏振探测能够支撑大气成分反演、目标识别与遥感成像等关键任务；在加密光通信场景中，具备波长选择性响应能力的探测器可显著提升系统的抗干扰水平与通信保密等级，对国防安全、金融传输等敏感领域具有战略意义。然而，传统近红外探测器若要实现窄带光谱响应，几乎必须依赖外部滤光片或复杂的光学谐振腔结构，“宽带探测器+分立式滤光片”的混合架构虽被广泛采用，却不可避免地引入插入损耗、组装容差与成本代价，从根本上限制了器件的微型化潜力、片上集成度及其在复杂工况下的长期可靠性。更重要的是，在上述架构中，光谱选择性完全由外置光学元件赋予，而非器件本身的物理属性，这意味着“探测”与“滤波”功能在体系结构上始终处于割裂状态，难以满足航空航天等对载荷体积和可靠性要求极为苛刻的场景中“零附加元件”的战略需求。

在物理机制层面，窄带光电探测长期面临一个经典性能权衡：响应度（灵敏度）与光谱纯度（半高宽）往往相互制约。为摆脱滤光片依赖，研究者近年来尝试从材料层面构筑本征窄带响应，利用超晶格材料的离散吸收边、窄带隙有机半导体的电荷转移态、或带隙剪裁的钙钛矿体系等。这些策略虽在光谱选择性上取得进展，却普遍面临材料环境稳定性不足、性能随运行时间衰减、工艺兼容性差以及封装困难等系统性挑战。与此同时，偏振信息的获取在复杂散射环境（如雾霾、浑浊水体）中具有不可替代的价值，偏振光在散射介质中的穿透能力远强于非偏振光，可为目标识别和光学通信提供额外的信息维度。然而，在单一器件层面同时实现无需滤光片的窄带光谱选择性、高偏振敏感性、自驱动工作模式以及长期环境稳定性，长期以来构成了一个近乎“不可能三角”的物理与工程困境。

破局的关键，或在于材料体系的根本选择与界面物理的重新审视。Sb2Se3作为一种带隙约1.0–1.3 eV的窄带隙半导体，具备准一维的Sb4Se6链状结构单元，链间由范德华力结合，链内为强共价键。这一独特构型赋予其本征的面内光学各向异性，这是实现偏振探测的天然物理基础，同时保持了远超有机/钙钛矿体系的环境稳定性。然而，传统金属电极在Sb2Se3器件中的制备多依赖高能蒸镀工艺，热金属原子对二维半导体表面的轰击不可避免地引入界面损伤与化学反应，导致强烈的费米能级钉扎效应，接触势垒被“钉死”在某个中间能级，无法随金属功函数变化而调控，器件性能由此被严重钳制。这一物理瓶颈使得Sb2Se3的本征优势始终未能充分释放。

成果简介

本工作正是立足于上述需求牵引与物理瓶颈，从异质界面工程和缺陷态调控两个维度寻求突破。通过构建二维Sb2Se3/Au范德华结，利用原子级平整的vdW接触有效抑制费米能级钉扎，逼近Schottky-Mott极限；在此基础上，通过可控热退火实现对硒空位缺陷态的系统性钝化，将载流子动力学从缺陷辅助路径主导转向本征带间跃迁主导，从而实现光谱响应带宽从247 nm至46 nm的精细剪裁。上述物理策略的协同作用，使得在无需任何外部光学元件的条件下，单一器件同时具备超窄带光谱选择性（FWHM ~46 nm@1020 nm）、高偏振灵敏度（各向异性比~16）、自驱动工作模式（零偏置下响应度195.7 mA/W，比探测率7.74×1011 Jones）以及超过17个月无封装环境稳定性。基于此，偏振编码的四进制光通信系统在500 NTU高浊度水体中实现了可靠运行，且偏振成像经卷积神经网络处理达到98.2%的识别准确率。

主要的创新性研究成果

1. 器件架构创新：成功构筑了超越晶格匹配限制的范德华异质结
我们利用二维Sb2Se3单晶与Au微米片固有的原子级平整度，通过范德华力集成，创新性地构建了Sb2Se3/Au异质结。该架构从根本上避免了传统外延生长中的费米钉扎限制问题，实现了低接触电阻的欧姆接触和原子级陡峭的纯净界面，为高性能光电器件奠定了全新的物理基础。

2. 综合性能突破：实现了超窄带、偏振敏感与自供电的一体化功能集成
所研制的探测器成功打破了响应度与光谱纯度之间的经典权衡，其综合性能达到了国际领先水平。器件在近红外1020 nm处表现出仅46 nm的半高宽，同时在零偏压自驱动模式下，实现了195.7 mA/W的高响应度、7.74×10¹¹ Jones的高比探测率、800/909 μs的快速响应，并具备高达16的偏振各向异性比。这些指标协同证明了器件在灵敏度、光谱纯度、响应速度与偏振分辨能力上的全面优势。

3. 物理机制革新：揭示了“缺陷钝化诱导本征带隙响应”的新机制
本研究在性能调控层面提出了创新的物理机制。通过精确的热退火工艺进行缺陷工程，我们并非简单地修复缺陷，而是主动引入并调控深能级缺陷态，利用其选择性抑制短波长载流子并高效收集长波长载流子的特性，实现了光谱响应的“主动窄化”。该缺陷钝化诱导的本征带隙响应机制，为在不牺牲响应度前提下获得窄带探测能力提供了全新的技术路径和理论依据。

4. 双重应用验证：面向恶劣环境的安全光通信与高精度人工视觉
基于该探测器卓越的偏振敏感度、窄带响应与高各向异性比，我们通过构建四进制偏振编码光通信系统，在浊度高达500 NTU的强浑浊水中实现了稳定可靠的数据传输，信息密度较传统二进制编码提升一倍，并显著增强传输安全性。同时，利用其优异的近红外偏振成像能力，结合卷积神经网络进行图像识别，在0°偏振角下识别准确率可达98.2%，系统损失值随训练稳步收敛。本研究不仅验证了器件在复杂环境下高容量、抗干扰光通信的鲁棒性，也展现了其在面向下一代高精度人工视觉系统方面的可行性与应用潜力。

图1 原子级平整接触界面肖特基结的设计与创新。(a) Sb2Se3微片和 (b) Au微片的扫描电镜图像，插图为对应的能谱面扫描与原子力显微镜图像。(c) Sb2Se3与Au微片的XRD图谱。(d) 普通范德华结和 (e) 优化范德华结的原子结构（左）与能带结构（右）示意图。(f) 普通（左）与优化（右）范德华结的电流-电压曲线。

图2 MXene-Sb2Se3-Au范德华结光电探测器的光响应特性。(a) 以Au微片为电极的器件结构示意图。(b) 不同Au电极器件的电化学阻抗谱（器件3为Au微片、器件2为牺牲衬底预制Au膜、器件1为磁控溅射Au膜）。(c) 优化器件的波长依赖光电流（Sb2Se3微米片于300℃退火、Au微米片作电极）。(d) 0.51–17 mW/cm2不同光功率密度下1020 nm光照的I-t曲线。(e) 0 V偏压下光功率密度依赖的光电流与响应度。(f) 0 V偏压下光照依赖的探测率与外量子效率。(g) 评估响应时间的瞬态光响应。(h) 光电流归一化强度随调制频率的变化。(i) 暗电流时域信号经傅里叶变换得到的总噪声功率谱密度（含散粒噪声、1/f闪烁噪声、热噪声与总噪声）。

图3 探测器光谱整形的机理分析。(a) 响应度与退火温度的对应关系。(b) 不同退火温度下Sb2Se3微米片(020)峰的XRD图谱。(c) Sb2Se3 (020)峰的半高宽与强度随退火温度的变化。(d) 不同退火温度下Sb2Se3微米片的Se 3d芯能级XPS谱。(e) 50–350℃范围内Sb2Se3的电容-频率谱。(f) Au/Sb2Se3模型的电荷密度差。(g) Sb2Se3-Au（黄线）与Se- Sb2Se3-Au模型（蓝线）计算得到的态密度。

图4 MXene-Sb2Se3-Au范德华结光电探测器的稳定性表征。(a) 器件在1020 nm近红外光源照射下，连续300个响应周期的测试结果。(b) 随机选取16个数据点计算得到的暗电流与光电流的变异系数。(c) 在0 V偏压下，1020 nm光照持续工作40 min的电流-时间（I-t）曲线。(d) 探测器分别在不同温度下的时间分辨光响应曲线。(e) 环境空气中的长期稳定性测试。(f) 本工作探测器与已报道器件稳定性的对比。

图5 探测器在浑浊水偏振光通信中的应用。(a) 1020 nm、10 mW/cm2光照下偏振角0°–360°的时间分辨光响应。(b) 不同偏振角下偏振光电流的极坐标图。(c) 1020 nm、0 V偏压下偏振分辨的响应度与探测率。(d) 浑浊水中四进制偏振编码光通信的三维概念示意图。(e) 经探测器在浑浊水中实现四进制偏振编码光通信：输入数据由ASCII二进制编码（ON-1、OFF-0）转换为四进制偏振码（0°-3、30°-2、60°-1、90°-0）。

图6 基于MXene-Sb2Se3-Au范德华结探测器的红外偏振成像与识别概念验证应用。(a) 红外偏振成像实验装置示意图。(b) 0°、45°、90°不同偏振角下的成像结果。(c) 用于图像识别的卷积神经网络结构示意图。(d) 训练100个周期后器件的识别准确率。(e) 100个训练周期的神经网络损失曲线。(f) 将Sb2Se3/Au范德华结探测器图像样本输入训练好的神经网络后四种可能结果的概率。

总结与展望

本研究通过范德华界面工程、缺陷能带工程与晶体光学各向异性的协同整合，在单一器件层面实现了探测、光谱滤波和偏振传感的 monolithic 集成。该工作为无需外部光学元件的下一代高性能多功能光电器件开辟了全新路径。

从更广阔的视角来看，该研究成果的意义超越了单一器件本身：（1）在光电融合领域，零偏压自驱动、无需滤光片的超窄带近红外探测方案，为高密度集成光电子芯片提供了关键的“传感单元”解决方案；（2）在航空航天与深海探测领域，器件在极端温度范围（273–353 K）下的稳定工作和在强散射介质（500 NTU浑水）中的可靠通信能力，展现了在恶劣环境中部署的独特优势；（3）在人工智能视觉领域，偏振信息维度与卷积神经网络的深度融合，为下一代“多维感知”智能视觉系统提供了硬件基础。

当然，从实验室原型到实际工程应用，仍有诸多挑战亟待克服：大面积阵列化器件的制备工艺、与CMOS后端工艺的兼容性、以及更宽光谱范围内（如短波红外）的拓展研究等。但可以预见的是，以Sb2Se3为代表的二维各向异性材料体系，正在为后摩尔时代的光电信息技术打开一扇全新的大门。

论文信息：

Tao He, Peng Guo, Wanyu Ma, Xinzhe Yan, Yun Wei, Huijie Feng, Jilong Tang, Daning Shi, Caixia Kan, Peng Wan, Mingming Jiang, “Trap-Mediated Spectral Shaping in Sb₂Se₃/Au van der Waals Junction for Turbid-Water Communication and High-Precision Artificial Vision”, Advanced Functional Materials, 2026，e76605

DOI: 10.1002/adfm.202601234

文章链接：//doi.org/10.1002/adfm.76605