西安交大在高性能光电传感器件领域取得重要进展

电力设备放电故障的光学检测具有抗电磁干扰能力强、光谱信息丰富等优势，是电力设备绝缘状态检测领域的重要手段。以二硫化钨（WS2）为代表的新型二维材料具有强烈的光与物质相互作用和带隙可调等优势，在放电故障的光学检测领域应用潜力巨大。然而基于二维材料的光电器件仍存在器件光电转换效率低、增益和响应速度难以同步提升、泄漏电流和功耗显著增大等问题，严重制约二维光电探测器的性能提升与实际应用。

针对上述问题，西安交通大学电气工程学院电工材料电气绝缘全国重点实验室孟国栋教授团队，设计制备了一种等离激元增强的铁电栅控二维场效应光电晶体管。首先通过时域有限差分法仿真优选入射光场增强最大时的Au纳米粒子粒径，然后以二维WS2作为沟道，以铝掺杂氧化铪（Al:HfO2）超薄纳米铁电薄膜（~10 nm）作为栅介质层，以Au纳米粒子阵列作为光场增强层制备场效应光电晶体管。通过引入等离激元，一方面利用共振增强效应产生更多光生载流子，另一方面产生热载流子提供额外光电导；通过铁电剩余极化场取代外施栅压，可实现在零栅压条件下载流子浓度和接触势垒的有效调控，两种机制协同提升器件的响应灵敏度和光电转换效率。同时，极化静电场降低界面势垒促进载流子隧穿输运，降低载流子渡越时间，同步优化器件光增益和响应速度。结果显示，零工作栅压下，器件的比探测率提升至1.36×1014 Jones，响应时间缩短至9.51 ms。研究成果为面向电力设备放电故障检测的微弱光信号探测、低功耗光电传感单元及高灵敏传感阵列的设计与实现提供重要技术支撑。

该研究成果以《等离激元增强的铁电调控二维光电晶体管》（Plasmon-Enhanced Photodetection in Ferroelectric-Tunable Two-Dimensional Phototransistor）为题，以封面论文（Front Cover）的形式发表在国际知名期刊《先进光学材料》（Advanced Optical Materials）。

等离激元增强的铁电栅控新型高性能二维场效应光电晶体管