综述：基于二维材料的自供电紫外光电探测器的进展与前景：工作机制与器件架构

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Progress and prospects of 2-D material-based self-powered UV photodetectors: Mechanisms and device architectures

紫外光电探测器研究进展及二维材料应用

　　自我供电的紫外光探测器因其在低功耗、紧凑设计和高性能光电应用方面的潜力而受到广泛关注。与传统光探测器需要外部偏置电压不同，自我供电的设备利用材料结处的内置电场实现电荷分离，从而减少暗电流并提升探测能力。本综述系统探讨了基于二维材料（如MoS?、GaN、ZnO和h-BN）的自我供电紫外光探测器的最新进展。这些材料具有可调的带隙、大的表面积、高的载流子迁移率以及无缺陷的界面，使其成为柔性与高效紫外检测的理想候选材料。

本综述对设备结构进行了系统的分类，包括p-n同质结、p-n异质结以及金属-半导体肖特基结。通过分析这些结构的机理、优势和局限性，进一步讨论了它们在各种二维异质结构中的性能指标。此外，本文还探讨了这些探测器在下一代光学无线通信、紫外成像以及同时实现信息和能量传输中的作用。尽管在实现高响应度和快速切换方面取得了显著进展，但仍有挑战需要解决，如提高内置电场强度、减少界面缺陷以及实现均匀的高速高灵敏度性能。此外，本文还总结了近期在自我供电光探测领域发布的专利。

在应用方面，自我供电的紫外光探测器可用于光学无线通信、室内通信、水下通信、数据中心网络、车辆通信以及空间科学等领域。例如，光学无线通信（OWC）作为一种替代传统光纤通信的技术，可以利用自由空间光传输数据，适用于物联网和短距离通信系统。水下通信则利用紫外光的低散射特性，实现非视距（NLOS）传输，提高水下设备的可靠性。在空间科学中，自由空间光学（FSO）技术被用于卫星间通信，提供高数据率、低干扰和增强的安全性。

此外，自我供电的紫外光探测器在环境监测系统中也有重要应用，能够持续监测空气和水中的紫外辐射水平，评估太阳辐射暴露情况，并用于监控大气条件如臭氧层健康。通过检测吸收紫外线的污染物或环境紫外线透射率的变化，可以评估空气质量并识别潜在的环境威胁。同时，这些探测器还适用于需要无线信息和能量传输（SWIPT）的应用，能够在不依赖外部电源的情况下实现光信号的转换和能量的收集。

尽管自我供电的紫外光探测器在多个方面表现出色，但仍面临一些关键挑战。例如，界面缺陷和陷阱状态会影响电荷分离，而晶格失配和表面粗糙度会导致复合中心，降低量子效率和内置电场强度。此外，由于二维材料的薄层结构，其内部电场强度受限，难以与传统依赖外部偏置的光探测器竞争。环境因素如氧化、湿度渗透和紫外线引起的缺陷也会导致设备性能随时间下降。

为了提高自我供电紫外光探测器的性能，可以采取多种策略，包括设计垂直生长的纳米结构以增加光吸收，采用抗反射涂层以减少反射导致的光子损失，以及构建具有II型带对齐的异质结以增强内置电场。同时，先进的界面工程技术，如范德华集成、化学钝化和应变调制，可以降低陷阱密度并提高载流子迁移率。这些技术的结合将有助于提升探测器的灵敏度和响应速度。

展望未来，自我供电紫外光探测器的发展方向包括环境友好和可持续性。当前二维材料和半导体探测器的制备和处理过程可能带来环境污染问题，因此研究者正在探索绿色合成方法、非化学技术如闪光焦耳加热（FJH）以及生命周期评估（LCA）等手段以减少环境影响。此外，设计可回收和模块化的探测器结构也是降低电子垃圾影响的重要策略。

最新的研究趋势显示，自我供电紫外光探测器正朝着多功能和智能化方向发展。例如，基于氮化镓（GaN）的仿生光探测器和螺旋藻生物光探测器的出现，代表了生物启发式和生物集成传感平台的兴起。此外，自我供电光探测器还能够用于人形机器人控制，通过（In,Ga）O纳米线阵列实现无需外部电源的智能控制。这些创新表明，自我供电紫外光探测器在未来的光电技术中具有广阔的应用前景。