基于二维平带量子材料Nb3I8的自适应超宽带黑体探测技术突破

《Nature Communications》：Flat-band quantum materials empowering self-adapted ultrabroadband detectors

本研究针对室温下长波-甚长波红外黑体探测的技术难题，通过电子/声子能带工程策略，开发了基于二维平带量子材料Nb3I8的自适应超宽带探测器。该器件利用电子平带产生的高态密度（DOS）增强短波红外吸收，通过声子平带的强非谐性实现低热导率的热敏响应，首次在二维材料中实现了2.5-20μm波段的室温黑体探测，为平带量子材料在光电应用领域开辟了新途径。

　　

在光学通信、工业气体泄漏检测和大气监测等领域，能够对黑体辐射产生灵敏响应的室温超宽带光电探测器一直是研究的热点。传统红外探测器如HgCdTe、InSb等虽然性能优异，但需要低温工作环境且制备成本高昂；而氧化钒（VO_x）和非晶硅等热敏探测器虽可实现室温工作，却存在响应速度慢、需要复杂热隔离结构等问题。随着二维材料的兴起，黑磷及其异质结构在中波红外波段展现出良好的黑体响应，但工作波长范围有限，难以覆盖长波红外（LWIR）至甚长波红外（VLWIR）波段。

受到蛾类感官系统的启发，研究人员设计了一种基于二维平带量子材料Nb₃I₈的自适应超宽带探测器。蛾类在白天通过复眼的光敏色素进行光电导模式成像，夜间则通过触角的热敏效应感知热辐射。仿生此原理，该研究通过电子能带工程增强短波红外（SWIR）吸收，利用声子能带工程实现中长波红外的高效热收集，构建了兼具光电导和热敏双工作机制的探测器。

研究人员采用化学气相传输法（CVT）制备大面积Nb₃I₈单晶，通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和拉曼光谱确认材料质量。器件制备采用电子束光刻和干法转移技术，在SiO₂/Si基底上制作电极并转移Nb₃I₈纳米片。光电性能测试使用多波段激光器和黑体辐射源，热导率测量采用悬空热桥法，噪声谱分析通过快速傅里叶变换（FFT）频谱仪完成。

电子能带工程与短波红外探测

Nb₃I₈晶体具有呼吸笼目晶格结构，其电子平带源于量子相消干涉效应。密度泛函理论（DFT）计算显示平带区域存在高态密度和显著偶极跃迁矩阵元素，角分辨光电子能谱（ARPES）实验证实了平带特征。吸收光谱在平带区域呈现双峰结构，间接带隙为0.49 eV。器件在2μm激光调制下显示204μs/704μs的上升/下降时间，黑体探测率可达5×10¹⁰cm·Hz^1/2·W^-1。

声子能带工程与中长波红外探测

声子谱计算显示光学模与声学模强烈交汇，平均格律乃森参数达2.86，表明强非谐性作用。电子局域函数（ELF）映射显示Nb原子周围弱键合特性，声子群速度计算证实低热导率特性。实验测得室温热导率为0.26 W/(m·K)，电阻温度系数（TCR）达-3%/K。在500K黑体辐射下，器件在20μm处探测率为2×10⁸cm·Hz^1/2·W^-1，热响应时间约19 ms。

宽带探测应用演示

器件成功实现白昼主动成像与夜间热成像功能，对310K人体手部辐射产生明显响应。柔性器件可实现热源接近预警，在非色散红外（NDIR）气体检测中展现应用潜力。与传统体材料及二维材料探测器相比，该器件覆盖波段最宽，且无需特殊热隔离结构。

该研究通过能带结构工程策略，首次在二维材料中实现了覆盖短波至甚长波红外的室温黑体探测。Nb₃I₈的电子平带特性增强了短波吸收，声子平带特性促进了热局域化效应，双工作机制使探测器具备自适应探测能力。这项工作不仅突破了二维材料在长波红外探测的技术瓶颈，还为平带量子材料在光电领域的应用提供了新范式。未来通过红外吸收层修饰和异质结构设计，器件性能有望进一步提升。