综述：压电光电子效应与铁电性在NbOI/2CuInP/2Se 6范德华异质结构光响应中的协同调控及其自动避障应用

《Nano Energy》：Synergistic Regulation of Piezo-Phototronic Effect and Ferroelectricity on Photoresponse of NbOI 2/CuInP 2Se 6 van der Waals Heterostructures and Its Automatic Obstacle Avoidance Application

二维铌氧碘（NbOI?）/铜铟镓硒（CuInP?Se?）异质结通过协同调控压电光电效应与铁电极化场，实现了300%的光电流增强，并构建了集成信号处理电路与微控制器的智能避障系统。

　　

彭文博|张星宇|白明阳|陈宇豪|张亚柱|杨丽雅|徐浩|支宇硕|张远征|郑海武

中国河南省智能微纳传感技术及其应用工程研究中心，河南大学物理与电子学院，开封475004

摘要

二维范德华异质结构（2D vdWHs）由于其出色的异质集成和光电性能，为功能性光电设备开辟了新的机会。然而，为了实现更广泛的应用，仍需要探索新的光响应增强策略，特别是不同物理机制之间的耦合效应。为了解决这一挑战，制备了NbOI₂/CuInP₂Se₆ vdWH来研究载流子传输的协同调制。实验结果显示，在0.525%的拉伸应变下，光电流增强了110%；当与+10伏的铁电极化结合时，这一增强效果进一步提升至300%，这归因于压电光电子效应与铁电极化之间的协同作用。能带结构分析和COMSOL模拟表明，性能的提升源于压电光电子效应（通过应变诱导的压电极化电荷调节界面能带对齐）与铁电极化场（增强固有结场）之间的协同耦合，显著增强了光生载流子的驱动力。此外，构建了一个由NbOI₂/CuInP₂Se₆ vdWH、自制信号调理电路和微控制器单元（MCU）组成的新型自动避障系统，实现了多级避障功能。这项工作为机器视觉领域中的光电系统范式创新提供了新的见解。

引言

光电探测器是现代光电系统的基石，在自动驾驶汽车、人工智能和智慧城市基础设施等应用中发挥着关键作用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。光电探测器的材料组成决定了其工作原理和性能，从而直接影响响应度、探测率和响应速度等关键技术参数——这些参数对于评估设备的整体性能至关重要[7]、[8]。二维层状半导体（如石墨烯[9]、[10]、MoS₂[11]、h-BN[12]和CuInP₂S₆[13]）具有出色的物理性能，包括原子级厚度、高载流子迁移率、强光-物质相互作用、宽光谱吸收能力，以及无需晶格匹配约束即可自由堆叠和组装成vdWHs的能力，为高性能和超紧凑型电子及光电设备的发展提供了创新的材料平台[14]、[15]。同时，由二维材料构成的vdWHs具有不对称的内建电场（E_bi），有效抑制了暗电流，从而在光学响应中实现了高信噪比[7]。

通常通过外部场调制（如应变工程[16]、[17]、铁电极化场[18]、磁场[19]、[20]、相变机制[21]、铁电光电子效应[22]和等离子体共振[23]）来调节载流子传输机制，从而提升2D vdWH光电探测器的光电性能。其中，应变工程和铁电极化场是最广泛使用的控制策略。Zhang等人[13]制备了一种基于CuInP₂S₆的vdW光电探测器，在0.91%的拉伸应变下光电流增强了100%；Huang等人[24]制备了一种基于NbOCl₂的vdW光电探测器，在1伏极化后响应度增加到初始值的150%，并在连续极化500秒后进一步提高到300%。此外，通过应变或铁电极化工程也可以提升vdWH的光电性能。例如，Cai等人[25]制备的α-In₂Se₃/3R-MoS₂ vdWH在0.35%的拉伸应变下光电流增加了64%；Jin等人[26]证明，对α-In₂Se₃/PdSe₂ vdWH中的α-In₂Se₃层施加铁电极化可以将其极化灵敏度提高490%。然而，为了实现更广泛的应用，需要探索新的光响应增强策略。本文预期通过协调调节应变和铁电极化来改善vdWH的光电性能，这有助于理解多功能集成材料和设备中多个物理场之间的耦合效应。

为了系统研究2D vdWHs中压电光电子效应与铁电极化之间的耦合效应，所选的功能材料应具有出色的压电性能和稳定的铁电性。2D NbOI₂因其优异的压电性能[26]、稳定的面内铁电性[27]以及合适的带隙（1.9-2.5电子伏特[28]）成为理想的候选材料。具体而言，NbOI₂的平面压电应力系数（≈31.6×10^?10 C m^?1）比大多数二维材料高出一个数量级[29]、[30]、[31]，使得通过应变有效调节器件性能成为可能。此外，2D CuInP₂Se₆ vdW材料在室温下表现出优异的紫外-可见光响应能力和非铁电行为[32]、[33]。将NbOI₂和CuInP₂Se₆集成到vdWH中，有望发挥每种材料的优势，从而精确调节其光电性能。

在本研究中，通过化学气相传输（CVT）方法成功合成了高质量的NbOI₂单晶。随后，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）辅助的干转移技术在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上制备了NbOI₂和CuInP₂Se₆组成的vdWH。系统研究了外部应变和铁电极化对NbOI₂/CuInP₂Se₆ vdWH光电性能的影响。研究发现，外部应变引起的压电光电子效应和铁电极化产生的退极化场（E_dp）可以有效调节vdWH的光电性能。当同时施加拉伸应变和正极化电压时，它们的协同耦合增强了光生载流子的分离驱动力，显著提高了vdWH的光电性能。通过系统分析能带结构和COMSOL模拟结果，定性地研究了NbOI₂/CuInP₂Se₆ vdWH中压电光电子效应与铁电极化之间的耦合机制。为了展示vdWH设备的应用场景，我们将其与自制信号调理电路和微控制器集成，形成了一个自动避障系统。该系统能够动态监测车辆与障碍物之间的距离，提供实时警告反馈。更有趣的是，通过调整异质结的预设应变和极化状态，可以动态调节响应阈值，实现多级自动避障功能，为复杂环境中的安全自动驾驶提供了新的见解。这项工作不仅提出了通过协调调节多个物理场来开发高性能2D光电设备的创新策略，还为智能自动避障（AOA）系统和机器视觉应用开辟了新的途径。

结果与讨论

NbOI₂是一种新型的二维半导体材料，在室温下表现出优异的压电和铁电性能，是研究压电光电子效应、铁电性及其耦合机制的理想平台。CuInP₂Se₆在结构上与CuInP₂S₆相似，也具有铁电性能，尽管其相变温度相对较低，约为230开尔文[32]。NbOI₂和CuInP₂Se₆的晶体结构都表现出典型的

结论

总结来说，我们使用CVT方法成功合成了高质量的二维范德华材料NbOI₂，该材料具有优异的压电和铁电性能。随后，在PET基底上使用PDMS辅助的干转移技术制备了NbOI₂/CuInP₂Se₆ vdWH，并系统研究了压电光电子效应、铁电极化及其在此异质结构中的协同耦合对载流子传输机制的调制作用

NbOI₂的CVT合成

NbOI₂晶体是使用I₂作为传输剂通过CVT方法合成的。商业可用的Nb粉末、Nb₂O₅粉末和I₂晶体按3:1:5的化学计量比混合形成反应前驱体。由于I₂在反应过程中起到传输剂的作用，其用量可以适当增加以提高反应效率。随后，将前驱体装入石英管中，然后在真空条件下抽真空并密封

未引用参考文献

[34]; [38]; [56]; [57]

亮点

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  通过压电光电子效应与铁电极化场的耦合，在NbOI₂/CuInP₂Se₆异质结构中实现了300%的光电流增强。
• •
  阐明了优化载流子分离和传输的协同机制。
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  开发了一种新型的智能自动避障系统，实现了多级避障功能。

CRediT作者贡献声明

陈宇豪：撰写——原始草稿，研究。白明阳：研究。张星宇：撰写——原始草稿，方法学，形式分析。彭文博：撰写——原始草稿，形式分析，数据管理。郑海武：撰写——审稿与编辑，监督，资源获取。张远征：撰写——审稿与编辑，资金获取，概念化。支宇硕：研究。徐浩：撰写——审稿与编辑。杨丽雅：数据管理。张亚柱：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（52372107）、河南省自然科学基金（252300421801）、中国国家自然科学基金（52503315）、中原人才计划（人才培养系列）——中原基础研究领军人才以及河南省杰出海外科学家中心（GZS2024003）的支持。