摘要：在当今数字时代，光探测器已成为光学通信、成像和人工智能等领域不可或缺的关键技术，负责将光信号转换为电信号。然而，传统光探测器受制于固定带隙半导体，难以实现宽带灵敏度和小型化集成。近年来，窄带隙二维材料（如Ta₂NiSe₅）因其卓越的光谱吸收能力而备受关注，但其
在当今数字时代，光探测器已成为光学通信、成像和人工智能等领域不可或缺的关键技术，负责将光信号转换为电信号。然而，传统光探测器受制于固定带隙半导体，难以实现宽带灵敏度和小型化集成。近年来，窄带隙二维材料（如Ta₂NiSe₅）因其卓越的光谱吸收能力而备受关注，但其高暗电流和噪声问题限制了实际应用。因此，开发新型光探测器材料并优化设计对于实现高效、集成的光探测具有重要意义。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（简称“长春光机所”） 的研究团队 提出了一种单片集成架构，将Ta₂NiSe₅光探测器与MoS₂场效应晶体管（FET）放大单元协同集成。该系统在635−1550 nm波段展现出宽带光响应，最大响应度达83.5 A/W，探测率为2.1×10¹⁰ Jones。通过集成FET放大单元， 在1550 nm照明下 光灵敏度提升了3200倍，达到3.7×10³。基于性能优化，研究人员实现了高对比度单像素成像，神经网络识别准确率高达99%，并在光纤通信波段实现了信号编码传输和高保真信号再现，同时通过栅极电压和光输入执行可重构的OR/AND逻辑操作，展现出该系统在安全光通信、数字电路和人工视觉应用方面的巨大潜力。这项研究以“ High-Performance Broadband Integrated Detection System for Multifunctional Applications ”为题发表在 ACS Nano 期刊上。
研究人员 通过机械剥离制备了 Ta₂NiSe₅ 薄片，随后将其转移至高纯度Si/SiO ₂ 衬底上，对其进行进一步表征。 Ta₂NiSe₅光探测器结构以及 相关 光电性能的表征如图1所示 。为了解决增强光灵敏度和缩小实际成像应用性能差距的关键挑战，研究人员将基于 FET 的放大单元直接集成到 Ta₂NiSe₅ 光电探测器架构中。这种单片集成策略规避了外部放大电路的固有限制，例如功耗过高、设备小型化和噪声干扰等，从而在信号增益和系统稳定性之间实现均匀平衡。 集成系统架构示意图及其光电子表征如图2所示。结果显示，该Ta₂NiSe₅ 光电探测器 集成系统比传统探测器系统的光灵敏度高几个数量级， 这一突破性性能源于 Ta₂NiSe₅ 的宽带吸收和MoS₂ FET的放大效率之间的协同作用，减轻了其暗电流限制，同时放大了光生载流子。
研究人员 利用集成探测系统，展示了其在单像素红外成像中的应用潜力。 图3a展示了该成像系统的实验设置。随后，研究人员利用Ta₂NiSe₅光电探测器集成系统和 神经网络架构设计了 仿生神经视觉系统， 红外光电成像成果如图3b至图3f所示 。
仿生神经视觉系统 的红外光电成像和识别的概念验证应用
最后，研究人员采用 Ta₂NiSe₅光电探测器集成系统 作为信号接收器，并展示了其在通信频带内传输ASCII信号的能力，相关系统设置及结果如图4所示。
来源：凝雪与水星
