面向下一代高速通信与成像：基于溶液法制备的Sb2(S,Se)3/CdS异质结超快自供电光电探测器

《Advanced Science》：Toward Next-Generation High-Speed Communication and Imaging: Solution-Processed Sb2(S,Se)3/CdS Heterojunction for Ultrafast Self-Powered Photodetector

本文报道了一种基于溶液法制备的Sb2(S,Se)3/CdS异质结自供电光电探测器。该器件旨在解决当前光电探测器难以同时实现宽光谱响应、高探测率、超快响应和极端温度下稳定运行的难题。研究结果表明，该探测器在零偏压下展现出0.6 A/W的高响应度，7.68 × 1012Jones的优异比探测率，以及1.13/1.90 μs的超快响应/恢复时间。尤为突出的是，未封装的器件在10至575 K的极端温度范围内仍能稳定工作，并成功应用于可见光通信和高分辨率成像。该工作为下一代光学通信与成像系统提供了一种低成本、高性能的解决方案。

　　

在5G/6G通信、深空探测和高分辨率医学成像等技术飞速发展的今天，高性能光电探测器（Photodetector, PD）作为光学系统的核心传感单元，面临着前所未有的挑战。我们既需要它能“看见”从可见光到近红外（Near-Infrared, NIR）的广阔光谱，用于多元化的信号捕捉；又要求它在微光环境下拥有“火眼金睛”般的高灵敏度（高比探测率D*）；同时，它还必须在航空航天遇到的极寒或工业环境中的酷热下稳如泰山；最后，为了处理高速光数据流，其自身的响应速度也必须快如闪电。然而，现有的技术似乎总是在“偏科”：商用硅基探测器成本低、工艺成熟，但“怕冷又怕热”，温度适应性差；III-V族半导体（如砷化镓铟）在近红外表现优异，但身价高昂且有毒性；而一些金属硫化物或氧化物器件，又常常受困于载流子复合太快、缺陷多，导致反应迟钝。研制一款能同时满足所有苛刻条件的“全能型”光电探测器，已成为推动下一代光电技术发展的关键。

为此，研究人员将目光投向了一种新兴的硫族化合物半导体——锑硒硫化物（Sb₂(S,Se)₃）。这种材料能通过调节硒/硫比例来“定制”自己的吸光范围（带隙在1.1–1.7 eV之间），恰好覆盖可见光到近红外；它还拥有极高的吸光能力，且环境友好（不含铅、汞等重金属），是低成本、高性能光电器件的理想候选者。但单一的Sb₂(S,Se)₃器件也存在弱点，比如载流子分离效率不高，导致响应速度通常较慢（>100 μs）。为解决这个问题，研究团队借鉴太阳能电池中的成功经验，巧妙地为其“配对”了一个搭档——硫化镉（CdS）。CdS作为一种n型半导体，能与p型的Sb₂(S,Se)₃形成高质量的II型异质结。这种结构能在界面处产生强大的内建电场（Built-in Electric Field, E_bi），像一位高效的“交通警察”，促使光生电子和空穴迅速分离并朝不同电极运动，同时还能显著降低材料内部和界面处的缺陷陷阱密度，从而全面提升器件性能。

这项研究成果以《Toward Next-Generation High-Speed Communication and Imaging: Solution-Processed Sb₂(S,Se)₃/CdS Heterojunction for Ultrafast Self-Powered Photodetector》为题，发表在了国际知名期刊《Advanced Science》上。研究团队通过精密的溶液法（水热沉积工艺）制备了FTO/CdS/Sb₂(S,Se)₃/Au结构的异质结光电探测器，并系统地表征了其材料特性、光电性能及稳定性，最终将其集成到可见光通信和成像系统中验证了其应用潜力。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：1. 通过水热沉积法可控地合成高质量的Sb₂(S,Se)₃/CdS异质结薄膜。2. 利用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱等对材料的晶体结构、表面形貌和化学组分进行表征。3. 通过空间电荷限制电流法和电容-电压测试分析器件的缺陷态密度和内建电场强度。4. 使用时间分辨光致发光光谱评估载流子寿命。5. 搭建光电测试系统，在宽温区（10-575 K）和不同光照条件下系统测量器件的光电流、响应度、比探测率、响应速度等关键性能参数。

2 结果与讨论

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  材料与结构表征：X射线衍射和扫描电子显微镜分析表明，引入CdS层诱导了Sb₂(S,Se)₃薄膜沿c轴方向择优生长，获得了更大晶粒、更少晶界且更光滑的表面形貌。拉曼光谱显示Sb₂(S,Se)₃/CdS薄膜的半峰宽减小，结晶质量更高。X射线光电子能谱证实了Se的成功掺入。
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  缺陷与界面特性：空间电荷限制电流测试表明，Sb₂(S,Se)₃/CdS器件的缺陷态密度为1.89 × 10¹⁶cm^?3，低于参考样品，说明CdS有效抑制了缺陷。电容-电压测试计算出异质结的内建电压为0.375 V，高于参考器件，证实了更强的内建电场。时间分辨光致发光光谱显示异质结的平均载流子寿命大幅缩短至16 ns，证明了界面处高效的电荷分离与传输。
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  优异的光电探测性能：器件在零偏压（自供电）模式下，在785 nm光照下表现出明显的整流行为和0.42 V的开路电压。其在4.09 μW/cm²光强下，获得了0.6 A/W的高响应度、7.68 × 10¹²Jones的优异比探测率，以及高达95%的外量子效率。器件的响应覆盖300-1100 nm的紫外到近红外波段，并具备102 dB的高线性动态范围。
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  超快的响应速度与高稳定性：器件在22 kHz和200 kHz调制频率下的上升/下降时间分别为1.81/2.82 μs和1.13/1.90 μs，3 dB带宽达到175 kHz。在1 Hz频率下连续工作20,000个周期后，性能偏差仅1.22%，并在手套箱中储存一个月后性能几乎不变，展现了出色的运行稳定性与环境稳定性。
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  极端温度下的卓越稳定性：未封装的器件在10 K的极低温和575 K的高温下均能正常工作。在10 K下，器件仍保持自供电运行，并对弱光有良好的响应。在575 K高温下，比探测率仍可达6.42 × 10¹⁰Jones，且性能变化在降温后可逆，证明了优异的宽温区工作能力和热恢复性。
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  成像与可见光通信应用验证：器件被成功用作成像系统的传感像素，清晰地重建了“NCWU”和犁形图案的高分辨率图像。同时，器件作为高速接收机集成到可见光通信系统中，实现了高保真的实时语音信号传输，验证了其在实际系统中的可用性。

3 结论

本研究成功通过水热沉积法制备了高质量的Sb₂(S,Se)₃/CdS异质结光电探测器。该器件在自供电模式下取得了突破性的综合性能：0.6 A/W的高响应度、7.68 × 10¹²Jones的优异比探测率、1.13/1.90 μs的超快响应速度以及175 kHz的宽带宽。其最引人注目的优势在于，未封装的器件能在10 K至575 K的超宽温度范围内稳定工作，这远超传统硅基探测器的极限。性能提升归因于异质结引入的强内建电场促进了载流子的高效分离与提取，同时CdS层有效降低了Sb₂(S,Se)₃薄膜的体相与界面缺陷态密度。该工作的重要意义在于，不仅从材料设计和制备工艺上为高性能自供电光电探测器树立了新标杆，更通过将其成功应用于可见光通信和高质量成像，充分证明了其解决实际问题的能力。这为下一代在医疗近红外成像、航空航天极端环境探测、安全监控等多光谱领域应用的低成本、高性能光电子技术开辟了一条切实可行的新路径。