综述：光门控效应在光电探测器中的研究进展

这篇综述系统阐述了光门控效应（photogating effect）如何通过调控载流子输运特性提升光电探测器性能，重点分析了其在低维材料（如MoS2、石墨烯）和钙钛矿（perovskite）器件中的应用。文章揭示了陷阱态捕获光生载流子对增益（gain）、响应度（responsivity）和比探测率（specific detectivity D*）等参数的增强机制，为新型高性能探测器设计提供了理论依据。

　　

光门控效应：解锁光电探测器性能的密钥

Abstract
光电探测器作为光信号-电信号转换的核心器件，其性能提升始终是研究热点。光门控效应通过陷阱态捕获光生载流子调控费米能级和电导率，成为突破传统性能极限的关键机制。本文深入探讨该效应在低维材料和钙钛矿探测器中的独特作用，揭示其通过异质结构建或缺陷工程实现高增益、宽动态范围的内在原理。

Introduction
从1940年代硅基光电二极管到如今钙钛矿量子点器件，探测器材料体系历经三次革命。传统光伏效应（photovoltaic effect）和光电导效应（photoconductive effect）已接近理论极限，而光门控效应因其载流子倍增特性展现出巨大潜力。例如，低维材料中缺陷态可转化为有效陷阱中心，MoS₂探测器通过界面陷阱使响应度提升10³倍；钙钛矿中碘空位则能延长载流子寿命至微秒级。

Principle of Photogating Effect
光门控效应的物理本质是空间电荷调控：当光照产生的空穴被价带尾态捕获时（图1a），会形成局部电场调制导电沟道电子迁移。这种"载流子存储-释放"机制使单光子可触发多电子循环，实现内增益（internal gain）。关键参数包括陷阱深度（0.1-0.5 eV）和密度（10¹⁶-10¹⁸ cm^-3），二者共同决定探测器响应速度与增益的权衡关系。

Impact on Performance
• 增益与带宽：石墨烯/WSe₂异质结通过双极光门控实现10⁸增益，但带宽受限于陷阱态释放时间（~100 ms）
• 响应度：PbS量子点探测器在1550 nm波段达10⁷ A/W，源于量子限域效应增强的载流子局域化
• 比探测率：MAPbI₃探测器D*突破10¹³ Jones，归因于卤素空位诱导的长程载流子扩散

Low Dimensional Materials
二维材料因其原子级厚度和强库仑作用成为光门控的理想载体：

• 石墨烯：表面等离子体激元（SPP）耦合可增强近场光吸收300%
• TMDCs：MoS₂/WS₂超晶格中层间激子使响应波段扩展至2.5 μm
• 量子点：CdSe/ZnS核壳结构通过俄歇抑制将增益稳定性提升至10⁴次循环

Perovskite Hybrid Systems
钙钛矿与PCBM、Spiro-OMeTAD等材料构建的体异质结表现出独特优势：
• 相分离调控：FA_0.83Cs_0.17Pb(I_0.83Br_0.17)₃中卤素梯度分布形成能带弯曲，实现紫外-可见-近红外三波段探测
• 离子迁移效应：MA⁺离子在电场下的定向运动可动态调节陷阱态密度
• 柔性器件：PET基底上的Sn-Pb混合钙钛矿探测器在弯曲半径3 mm时仍保持90%初始性能

Conclusion and Outlook
未来研究需解决三大挑战：① 陷阱态可控掺杂技术 ② 增益-带宽矛盾的协同优化 ③ 钙钛矿器件的环境稳定性。通过机器学习辅助材料筛选和瞬态光谱表征技术，有望实现光门控效应从基础研究到产业应用的跨越。