多功能范德华材料PdSe2：光探测、波导与调制的一体化平台

《Nature Communications》：Multifunctional van der Waals PdSe2 for light detection, guiding and modulation

本文推荐研究人员针对现代光电器件中材料功能单一、集成困难的瓶颈问题，开展了二维范德华材料PdSe2的超宽带光学特性研究。通过结合第一性原理计算与实验验证，发现PdSe2在紫外到太赫兹频段呈现半导体-介质-金属的三重特性，成功实现了中红外光探测、集成光子波导和光热转换等多功能集成，为下一代纳米光电子器件提供了单一材料平台解决方案。

　　

在现代光电子技术飞速发展的今天，一个长期存在的矛盾始终困扰着研究人员：如何让同一个材料同时具备金属的高导电性、介质的低损耗光传导能力以及半导体的光敏特性？传统解决方案是通过复杂工艺将不同材料集成，但这不仅增加制造成本，更限制了器件性能的进一步提升。正是这一核心挑战，促使科学家们不断寻找能够"一身多职"的新型材料体系。

近年来，二维范德华材料因其独特的层状结构和可调谐的电子性质备受关注。在众多候选材料中，硒化钯(PdSe₂)展现出非凡潜力，但关于其基本光学性质仍存在争议——有些研究报道其半导体行为，有些则强调金属特性。这种看似矛盾的性质，恰恰暗示了PdSe₂可能具备多重功能的内在本质。

在《自然-通讯》最新发表的研究中，由Aleksandr Slavich、Georgy Ermolaev和Nikolay Pak等共同领导的研究团队，通过系统的实验表征和理论计算，揭示了PdSe₂在250纳米至17微米超宽光谱范围内的独特光学行为。研究发现，这种材料在不同波长区间展现出三种截然不同的响应：在短波区域表现为强吸收半导体，在近红外至中红外区间呈现高折射率低损耗的介质特性，而在更长波长处则展现出金属般的自由载流子响应。

研究人员首先通过机械剥离法制备了高质量的PdSe₂薄层，并利用扫描透射电子显微镜(STEM)和能量色散X射线光谱(EDX)确认了其正交晶系结构和化学计量比。原子分辨率图像显示，PdSe₂具有独特的方形平面结构单元，通过弱范德华力沿c轴堆叠，这种各向异性结构为其多功能光学响应奠定了基础。

关键技术创新方面，研究团队综合运用了角度分辨微区反射光谱、光谱椭偏仪、散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)等先进表征技术，结合第一性原理计算，系统揭示了PdSe₂的超宽带光学性质。针对不同应用场景，研究人员分别制备了基于PdSe₂薄层的光电探测器和波导结构，并通过飞秒激光烧蚀技术合成了用于光热治疗的纳米颗粒。

多功能光学性质

通过各向异性光学常数测量，研究团队发现PdSe₂在1500-8000纳米波长范围内具有高折射率(n≈4.5)和低消光系数的理想组合，这一特性使其成为光子波导应用的理想候选材料。而在更长波长区域(>8000纳米)，材料表现出明显的Drude金属响应，适用于光探测应用。

第一性原理计算揭示了这种现象的物理根源：PdSe₂是一种常规半金属，其导带和价带极值在动量空间发生偏移，禁止了直接光学跃迁。同时，通过静电栅压调控，可以进一步调节其费米能级，实现对光学响应的主动控制。

基于金属光学响应的光探测

研究团队构建了基于7.6纳米厚PdSe₂薄层的中红外光电探测器，通过背栅和分裂顶栅的协同调控，实现了对载流子浓度的精确控制。实验表明，在中等偏压(V_sd=100毫伏)条件下，器件表现出高达450皮安的光电流响应。

有趣的是，光电流在样品整体n型掺杂时达到最大值，这与基于光热电效应或光伏效应的传统二维光电探测器形成鲜明对比。研究人员通过理论分析证实，这种响应源于辐射吸收引起的热阻变化，即测辐射热计效应(bolometric effect)，进一步验证了PdSe₂在中红外区域的金属性光学响应。测得器件的噪声等效功率(NEP)为8.0纳瓦/赫兹^1/2，与商用探测器性能相当。

基于高折射率的光波导

利用PdSe₂在1500-8000纳米波长范围内的低损耗高折射率特性，研究团队成功演示了其波导功能。近场光学测量显示，在5219纳米和7824纳米波长下，1.12微米厚的PdSe₂薄层能够支持传输横向磁模(TM₀)。

在2000纳米波长处，波导模式的传播距离可达约4毫米，完全满足集成光子电路的应用需求。与传统的硅波导相比，PdSe₂更高的折射率提供了更强的光场限制，使集成密度提高了25%。虽然PdSe₂的传播损耗(约13分贝/厘米)高于氮化硅等材料，但在芯片尺度的应用中，这种损耗是可以接受的折衷。

基于高吸收的光热转换

在短波长区域(250-1500纳米)，PdSe₂表现出强光吸收特性。研究人员通过飞秒激光烧蚀技术制备了PdSe₂纳米球，并系统比较了其与金、硅、二硫化钼(MoS₂)等材料的光热转换效率。

理论计算表明，80纳米直径的PdSe₂纳米颗粒在近红外第一生物窗口(NIR-I，700-980纳米)具有优异的光热转换效率，优于许多传统材料，在光热治疗领域展现出巨大潜力。

本研究通过多角度实验验证和理论分析，全面揭示了PdSe₂作为一种多功能范德华材料的独特价值。其在不同光谱区域展现的半导体-介质-金属三重特性，成功解决了光电子器件中材料功能集成的核心难题。研究人员不仅系统表征了材料的基本光学性质，更通过光电探测器、波导结构和光热转换器的实际演示，证明了其在集成光子学、中红外探测和生物医学等领域的应用潜力。

特别值得关注的是，PdSe₂的光电性质可通过静电栅压进行有效调控，这为未来开发可重构光电子器件提供了新的可能性。相比需要复杂集成工艺的多材料系统，单一材料平台大大简化了制造流程，提高了器件可靠性。这项研究为下一代高性能、多功能光电子器件的开发奠定了材料基础，展示了范德华材料在突破传统技术瓶颈方面的独特优势。