室温下基于SnSb2Te4单晶的宽谱光电探测器：从可见光到太赫兹的高灵敏度响应

为解决太赫兹(THz)探测中材料带隙不匹配、暗电流高及吸收率低等瓶颈问题，研究人员通过化学气相传输法(CVT)制备了高质量SnSb2Te4(SST)单晶，开发出覆盖可见光至THz波段(0.02-0.52 THz)的宽谱探测器。该器件在0.0249 THz处实现16,162 A W-1的超高响应度、7.33 fW Hz-1/2的极低噪声等效功率(NEP)及12 μs的快速响应，验证了电磁诱导势阱(EIW)理论在THz探测中的有效性，为下一代宽谱光电器件提供了新材料平台。

　　

在电磁波谱中，太赫兹(THz)波作为微波与红外光的过渡区域，因其非电离性和穿透性，在高速通信、生物医学成像等领域展现出独特优势。然而，THz探测技术长期受限于三大难题：材料带隙与THz光子能量(约4.1 meV@1 THz)不匹配、热噪声导致的暗电流干扰，以及低吸收率引发的信号衰减。传统解决方案依赖液氦冷却，极大限制了实际应用。如何实现室温下高灵敏度、快响应的宽谱探测，成为突破技术壁垒的关键。

针对这一挑战，中国科学院上海技术物理研究所等机构的研究团队独辟蹊径，选择具有拓扑绝缘体特性的SnSb₂Te₄(SST)作为核心材料。这种AB₂X₄型三元化合物具有可调带隙(0.3-0.5 eV)、超高载流子迁移率(650 cm² V^-1 s^-1)和层状结构特性，理论计算表明其双层结构可见光吸收系数可达10⁶ cm^-1。研究人员通过化学气相传输法(CVT)生长毫米级单晶，结合紫外光刻和双离子束溅射工艺，制备出金属-半导体-金属(MSM)结构的探测器。

关键技术方法包括：1) 采用碘蒸气传输剂在800°C热区生长SST单晶；2) 机械剥离法制备纳米片并转移至Si/SiO₂衬底；3) 设计蝶形天线结构的MSM器件；4) 搭建多波段(THz/红外/可见光)锁相放大测试系统；5) 基于电磁诱导势阱(EIW)理论解析THz响应机制。

3.1 材料表征
通过透射电镜(TEM)确认SST呈现七层原子堆叠结构(Te₁-Sb-Te₂-Sn-Te₂-Sb-Te₁)，单层厚度13.77 ?。拉曼光谱在85.8/114.4/135.3 cm^-1处出现特征峰，对应E²_g、A²_1g振动模式。能谱分析(EDX)显示元素比例Sn:Sb:Te=0.97:2.00:4.11，与理论值偏差<4%。

3.2 THz响应机制
当hν<>_g时，EIW效应主导：THz辐射在MSM结区形成反对称电场分布，金属电极(载流子浓度~10²² cm^-3)向半导体(~10¹⁹ cm^-3)注入电子，在势阱中心形成空间电荷积累。理论公式Δn=4aηε₀E₀/π³qd√ε_r证实响应度与偏压呈线性关系。

3.3 性能表征
器件在0.0249-0.509 THz范围内展现卓越性能：

• 响应度达16,162 A W^-1@0.0249 THz，比传统热电子探测器高2个数量级
• NEP低至7.33 fW Hz^-1/2，探测率D*达1.8×10¹² Jones
• 响应速度方面，上升/下降时间为14/12 μs，-3 dB带宽22 kHz

3.4 可见光-红外响应
当hν≥E_g时，带间跃迁产生光电流：

• 635 nm/1550 nm处响应度分别为14/5.7 A W^-1
• 响应速度较THz波段稍慢(308/372 μs@635 nm)，但仍优于多数二维材料器件

研究结论表明，SST探测器通过EIW与带间跃迁的协同机制，首次实现从可见光(635 nm)至THz(15 mm)的全谱覆盖。其室温工作特性、超高响应度和飞瓦级灵敏度，突破了传统THz探测器需低温运行的局限。这项工作不仅验证了EIW理论在宽谱探测中的普适性，更为6G通信、安检成像等应用提供了革命性器件解决方案。材料制备方面，CVT法克服了元素偏析难题，为其他拓扑绝缘体单晶生长提供借鉴。未来通过能带工程优化，有望进一步拓展探测范围至远红外波段。

论文的创新性体现在三方面：1) 提出"单材料全谱响应"新范式；2) 实验验证EIW理论的可行性；3) 器件性能参数全面超越已报道的过渡金属二硫化物(TMDC)基探测器。这些发现被发表于《Materials Today Electronics》，标志着宽谱光电探测技术迈入新纪元。