光电光谱论文分享|具有快速响应、光逻辑和智能图像识别功能的CuInP₂Se₆/MoS₂异质结光探测器

该工作将高速光电探测、光逻辑运算与智能识别一体化，为片上光子计算、神经形态感知与智能视觉系统提供了可行的新型二维光电器件方案。

二维范德华异质结凭借原子级清晰界面、能带可调性与多功能集成潜力，成为下一代高速、高灵敏光电子系统的核心材料体系。其中，MoS₂等过渡金属硫族化合物具有强光吸收、高迁移率与良好工艺兼容性，被广泛用于光电探测研究。然而，传统MoS₂基器件仍存在关键瓶颈：光谱响应范围窄、响应速度偏慢、界面缺陷导致载流子复合严重，且多数异质结难以同时实现高增益与亚微秒级快速响应，限制了其在高速成像、实时传感与片上光计算中的应用。

近年来，二维铁电半导体CuInP₂Se₆（CIPSe）凭借可翻转的面外极化、合适的能带结构与良好的晶格匹配性，为解决上述问题提供了新思路。其铁电极化可动态调控界面电场，与 MoS₂构筑异质结时能形成高效Ⅱ型能带排列，促进光生载流子快速分离并抑制复合。但目前CIPSe/MoS₂异质结的实验研究仍未见报道，其光电响应机制、高速性能与多功能集成潜力亟待探索。

在此背景下，本文构建CIPSe/MoS₂范德华异质结光电探测器，旨在突破传统MoS₂基器件性能限制，实现高速、高灵敏探测，并拓展光逻辑运算与智能图像识别功能，为发展集成化、智能化二维光电子系统提供实验依据与设计策略。

本研究围绕CuInP₂Se₆/MoS₂（CIPSe/MoS₂）范德华异质结展开，从材料结构表征、器件制备、光电性能测试、载流子输运机制，到光逻辑门、单像素成像及智能图像识别，形成完整的研究体系。采用多种表征手段对二维 CIPSe、MoS₂样品及异质结开展物性测试：二维材料微转移系统（南京迈塔光电科技有限公司 E1-G）：用于异质结器件的制备组装与显微形貌初步观测；原子力显微镜 AFM（德国布鲁克 Dimension Icon）：表征纳米片厚度、异质结表面三维形貌、界面起伏；压电响应力显微镜 PFM（美国 Jupiter XR）：测试 CIPSe 薄膜铁电特性，获取振幅回线、相位翻转曲线、铁电畴图案，验证可翻转铁电极化；拉曼光谱仪（英国 Andor）：采集 CIPSe、MoS₂单体及二者堆叠区拉曼特征峰，分析界面层间作用与晶体完整性；紫外光电子能谱 UPS（美国 ESCALAB Xi+）：测试两种材料费米能级、价带边位置，确定接触前能级排布；高分辨透射电镜 HRTEM（日本 JEOL JEM-2100）：观测晶格条纹间距，选区电子衍射（SAED）判定单晶质量、物相纯度；紫外 - 可见吸收光谱仪（南京迈塔光电科技有限公司 MStarter ABS）：测试材料光吸收曲线，通过 Tauc 法计算光学禁带宽度；光电综合扫描测试系统（南京迈塔光电科技有限公司 MStarter 200）：统一完成器件电学、光电性能全参数测试，包含 I-V、I-t 瞬态响应、光谱响应、噪声谱、栅压调控曲线等。

全文结果与讨论部分依托图1至5，系统揭示了该异质结的结构优势、物理机理与多功能应用价值。

图1为研究提供了坚实的材料与结构基础。图1a、b为高分辨透射电镜与选区电子衍射MoS₂的HRTEM图像显示清晰的1.6 Å晶面间距，对应(110)晶面，SAED图案呈现六重对称衍射斑点，证明其为高质量单晶2H相结构。CIPSe的晶面间距为1.96 Å，对应(300)晶面，衍射斑点同样规则有序，说明机械剥离后仍保持完整晶体结构，无明显缺陷与杂质。两种材料均具备优异的结晶质量，为构建清洁、高效的范德华异质结提供保障。c、d、e为器件结构与原子力显微镜表征，器件采用背栅结构，以SiO₂/Si为衬底，叉指 Ti/Au 为电极，CIPSe与MoS₂通过干法转移垂直堆叠形成异质结通道。AFM测试显示，CIPSe厚度约66 nm，MoS₂厚度约56 nm，片层平整、界面干净，无残留与褶皱，保证了层间耦合效率与载流子输运通畅。

图1f的拉曼光谱表明，异质结区域同时出现CIPSe的151.6 cm^-1（E_1g）、215.4  cm^-1（A_1g）特征峰，以及MoS₂的380.8 cm^-1（E¹_2g）、405.4 cm^-1（A_1g）特征峰，与单种材料峰位几乎一致，无明显偏移与新峰生成，证明异质结为物理范德华结合，界面无化学反应、无明显应力，结构完整性优异。g、h、i则为压电力显微镜表征，PFM结果显示，CIPSe在±10 V电压下呈现典型蝴蝶曲线180°相位翻转，盒中盒区域可实现稳定畴反转，证明其在室温下具备强而可逆的铁电极化特性。该极化可用于动态调控界面电场，为后续栅压与极化协同调控光电性能提供关键物理基础。

图1. CIPSe/MoS₂异质结的结构与光学表征。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和单晶电子衍射（SAED）表征结果：(a) MoS₂；(b) CIPSe。(c)异质结光电晶体管器件结构示意图。(d) CIPSe/MoS₂器件的原子力显微镜（AFM）图像。绿色和蓝色虚线分别表示CIPSe和MoS₂的轮廓。(e) CIPSe和MoS₂薄片的测得厚度。(f) CIPSe、MoS₂及CIPSe/MoS₂范德华异质结的拉曼光谱。CIPSe薄片的(g)振幅和(h)相位（均取自面外方向）。(i)在反向直流偏压（±10 V）下，写入“盒中盒”图案的PFM相位图像。

图2系统展示了CuInP₂Se₆/MoS₂异质结的核心光电探测性能。图2a为光谱响应范围，器件在300–720 nm波段均有明显响应，覆盖紫外至可见光区域，突破了传统MoS₂基器件光谱范围窄的局限，具备宽光谱探测潜力。在367 nm紫外波段响应最强，与材料带隙特征高度匹配。图2b为环境稳定性，在367 nm光照下，器件经过100天大气环境放置后，开关比仍保持在10⁴以上，暗电流与光电流无明显衰减，表现出优异的稳定性，适合实际长期工作场景。图2c、d为光电流与光功率密度关系，电流随光功率密度增大近似线性增长，拟合指数b≈0.99，接近理想值1，说明载流子产生效率高、复合损失极低。器件线性动态范围LDR=68.2 dB，优于多种传统二维材料探测器，可在宽光强范围内保持稳定线性响应。图2e、f为核心性能参数，在367 nm、0.1 mW cm^-2光照下，器件实现907 A W^-1超高响应度、3×10⁵%外量子效率、5.7×10¹¹ Jones探测率，远优于多数MoS₂基异质结器件。如此高的EQE源于高效的光导增益与界面电荷转移效应，使其具备极强的弱光检测能力。噪声与探测率分析如图2g，噪声谱测试表明，器件在高频下噪声显著降低，1 kHz 时探测率可达3.66×10¹¹ Jones，与理论计算值高度吻合，证明探测性能真实可靠。光开关稳定性与铁电调控如图2h、i，器件在不同光强下均实现稳定、可重复的开关行为。铁电极化可显著调控光电性能：向上极化增强光电流与暗电流，向下极化抑制电流，证明极化可通过调控界面电场实现对载流子输运的有效操控。

图2. CIPSe/MoS₂异质结光电探测器在5 V偏压下的光电性能表征。(a)光谱响应范围。(b)在367 nm单色光照射下的I–V特性。(c)在不同367 nm光功率密度下测得的对I–V曲线。(d)367 nm入射光强度与光电流的关系。(e)367 nm照射下电阻R与有效量子效率EQE随入射光强度的变化。(f)D对光功率密度的依赖性。(g)5 V偏压下的噪声谱密度及在1 Hz和1 kHz频率下的对应D。(h)在不同光强下的可重复开/关切换。(i)同偏振状态下的光电流/暗电流。

图3聚焦器件的动态响应特性。图 3a、b为瞬态光响应测试，在367 nm紫外光与638 nm可见光脉冲照射下，器件分别实现7.6 μs 上升、9.0 μs下降与4.9 μs上升、11.3 μs下降的超快速响应，远快于大多数MoS₂基异质结器件。快速响应得益于Ⅱ型能带与内建电场协同作用，使光生载流子快速分离、减少俘获与复合。c为频率响应与3 dB带宽，器件的3 dB带宽达到20 kHz，支持高频光信号检测，适用于高速光通信、快速成像等场景。

d为长期循环稳定性，在4200秒持续开关测试中，光电流无明显衰减，波形稳定，证明器件具备优异的工作可靠性与耐用性。e为性能对比，将本工作与已报道的 MoS₂基、CIPSe基探测器对比，在响应度、响应速度、探测率等关键指标上均实现显著超越，验证了CIPSe/MoS₂异质结设计的优越性。明确证实了该异质结探测器兼具超高响应速度与优异稳定性，可满足高速、高频光电子系统的实际需求。

图3. CIPSe/MoS₂光探测器的I–T特性表征及性能对比。在10 kHz频率下，(a) 367 nm和(b) 638 nm波长激光照射下的I–T曲线。(c) 归一化光电流响应与频率的关系。(d) 器件在5 V偏压下经4200秒重复开/关光照后的光电流循环稳定性。(e) 基于CIPSe和基于MoS₂的光探测器（MoS₂/钙钛矿（偏压5 V）[14]、MoS₂/有机（偏压 5 V）[17]、CIPSe（偏压 5 V）[23]、MoS₂/CuO（偏压 2 V）[51]、CdTe/MoS₂（偏压 1 V）[52]、MoS₂/ZnO （偏压 8 V）[53]、MoS₂/CuPc（偏压 15 V）[54]、MoS₂/Si（偏压 5 V）[55]、MoS₂/In_0.53Ga_0.47As（偏压 3 V）[56]、GaTe/MoS₂ （偏压 2 V）[57]、MoS₂/GaN（偏压 1 V）[58]、MoS₂/a-Ga₂O₃（偏压 5 V）[59]、MoS₂/ReS₂（偏压 10 V）[60]、Nb₂GeTe₄/MoS₂（偏压 1V) [61]、ReS₂/MoSe₂（偏压3 V）[62]、MoSe₂/WSe₂（偏压2 V）[63]、WS₂/CuInP₂S₆（偏压3 V）[64]）。

图4是本研究的物理机制核心。图4a、b显示光电流信号主要集中在CIPSe与MoS₂的重叠异质结区域，而非单一材料区域，证明光电响应主要来源于界面处高效的载流子分离，内建电场发挥关键作用。

图4c的UPS与UV-Vis测试确定：MoS₂为n型，带隙1.75 eV，导带底4.22 eV，价带顶5.97 eV；CIPSe为p型，带隙1.90 eV，导带底3.75 eV，价带顶5.65 eV。CIPSe的导带与价带顶均高于MoS₂，满足形成Ⅱ型能带的条件。

接触后能带排列与输运机制（图 4d、e、f）两者接触后，费米能级平衡驱动电子从MoS₂流向CIPSe，形成内建电场，构成Ⅱ型交错式能带排列。光照产生的电子向MoS₂积累，空穴向CIPSe迁移，实现高效空间分离，显著抑制复合。

原始状态：内建电场稳定驱动载流子分离；向上极化：极化电场与内建电场同向增强，进一步提升分离效率，光电流增大；向下极化：极化电场抵消内建电场，分离效率降低，光电流减小。同时，合理的电极构型使载流子传输路径短、复合少，是实现高性能的关键结构因素。

图4.异质结的光学和电子结构特性。(a) CIPSe/MoS₂异质结的光学显微镜图像。透明的红色覆盖层标示了(b)扫描光电流映射所覆盖的区域。绿色和白色虚线分别表示CIPSe和MoS₂的等高线。异质结性能采用3a/4a电极进行测量，而单独的CIPSe和MoS₂器件则分别采用1a/2a和5a/6a电极进行测试。(c)接触前CIPSe和MoS₂组件的能带图。CIPSe/MoS₂异质结在(d)原始状态、(e)上态和(f)下态下的载流子传输机制示意图。CIPSe中的圆箭头指示局部极化方向。

图5将器件从单一光电探测器的升级。a是器件的栅压调控特性呈现n型输运行为，光电流随栅压正向增大而显著提升，可通过栅压高效调控载流子浓度与输运势垒，为构建光逻辑门提供调控基础。b、c则是以栅压为输入A、光照为输入B，光电流为输出F，定义：光照=1、无光照=0；栅压40 V=1、−40 V=0。实验显示，任一输入为1时输出为1，全0输入输出为0，严格遵循OR逻辑运算规则，实现稳定、低串扰的光电逻辑功能，可用于光控逻辑电路与安全光通信。d、e、f为搭建的二维扫描成像系统，在367与638 nm光照下成功重构出清晰的字母N图像，成像对比度高、轮廓完整，证明器件具备实用化成像能力，可用于极简成像系统。g、h是将探测器输出的图像信号输入CNN，网络经卷积、池化、全连接层完成特征提取与分类。在包含2万余张字母图像的数据集上，识别准确率接近99%，损失曲线平稳收敛，无过拟合。该结果实现探测，成像，识别一体化，构建了硬件软件协同的智能视觉系统，适用于目标检测、字符识别等场景。

图5.CIPSe/MoS₂异质结光电探测器的光电逻辑门及成像性能。(a)暗态和受光条件下，不同Vds值下CIPSe/MoS₂异质结器件的I_ds–V_gs特性曲线。(b)通过控制光信号输入和栅极电压实现光电逻辑门。(c)异质结器件的逻辑门原理图及逻辑真值表。(d)单像素成像测试系统的原理图。在(e)367 nm和(f) 638 nm波长下的单像素成像测试结果。(g)展示从图像输入、特征提取到字母分类及热图生成的过程的卷积神经网络（CNN）原理图。(h)训练过程中的准确率曲线，显示出稳定的收敛性和可靠的性能。插图为损失曲线。

本文研制 CIPSe/MoS₂范德华异质结光电探测器，依托 Ⅱ 型能带与栅控铁电协同实现宽谱、高速探测与可编程光逻辑。器件峰值响应度 907 A/W、探测率 5.7×10¹¹ Jones、微秒级超快响应，性能领先多数 MoS₂基器件；借助栅光协同调控实现光电或逻辑运算；结合卷积神经网络完成近 99% 准确率的智能图像识别。该器件统一高速探测、片上逻辑、机器视觉三大功能，为下一代类脑智能光电传感与低功耗集成光电器件提供可行方案。

CuInP₂Se₆/MoS₂ heterojunction photodetector with fast response, optical logic, and intelligent image recognition

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.01.030