机械剥离法制备超宽带光谱响应MoTe2薄膜光电探测器及其在紫外-短波红外的应用研究

针对传统光电探测器光谱范围窄、响应速度慢等问题，哈尔滨工业大学团队通过机械剥离法制备2H相MoTe2薄膜器件，实现375-1550 nm超宽带光谱响应，其响应速度达80 μs，比探测率超3.0×109 Jones，并通过DFT计算揭示层数依赖的带隙调控机制，为新一代光通信和环境监测提供新材料方案。

　　

在人工智能、自动驾驶和环境监测等领域快速发展的今天，光电探测器作为将光信号转换为电信号的核心器件，面临着覆盖紫外到短波红外的超宽带光谱响应需求。然而，传统硅基和砷化镓材料存在制备工艺复杂、暗电流高、环境稳定性差等瓶颈，而新兴二维材料如石墨烯和黑磷又分别受限于零带隙和易氧化等问题。针对这些挑战，哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院的研究人员将目光投向了具有可调带隙的过渡金属二硫族化合物——二碲化钼(MoTe₂)，通过创新性的材料制备与器件设计，开发出性能优异的光电探测器，相关成果发表在《Sensors and Actuators Reports》。

研究团队采用机械剥离法制备少层MoTe₂薄膜，结合电子束蒸发工艺构建叉指电极器件。通过原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱表征材料厚度与晶相，利用密度泛函理论(DFT)计算能带结构，并系统测试了器件在375-1550 nm波长范围内的光电响应特性。

材料表征与理论计算

AFM测量显示MoTe₂薄膜厚度为3.9 nm（约5原子层），拉曼光谱确认2H相特征峰A_g¹(175 cm^-1)和E_2g¹(241 cm^-1)。DFT计算揭示单层与双层MoTe₂带隙分别为1.04 eV和0.94 eV，证实量子限域效应导致的层数依赖带隙调控。

光电性能突破

器件在375 nm和1550 nm波长下分别实现39.2 A/W和17.1 A/W的高响应度，比探测率最高达3.06×10¹³ Jones。响应时间在紫外波段达137.7 μs/1.04 ms（上升/下降时间），显著优于同类器件。双波段成像实验成功重建"HIT"图案，验证了其在多光谱检测中的实用性。

机制解析与应用前景

研究首次阐明多层MoTe₂带隙降低至0.74 eV是实现短波红外检测的关键。通过精确控制层数，解决了传统材料在1550 nm通信波段响应不足的难题。该器件在光纤通信、环境传感和光电集成电路等领域展现出重要应用价值，为下一代宽谱光电探测提供了新材料设计范式。

这项研究不仅推动了二维材料在光电探测领域的发展，更通过理论计算与实验验证相结合的方法，建立了材料结构-能带特性-器件性能的完整研究框架，为后续智能传感和成像系统的集成化开发奠定了坚实基础。