一维Nb2Pd3Se8与二维WSe2范德华异质结的栅极可调谐双极光响应及其在传感器内图像处理中的应用

这篇研究通过构建1D Nb2Pd3Se8/2D WSe2范德华（vdW）异质结，首次实现了栅极（VG）调控的双向光电流（n-p/n-n+切换），其自供电特性（VDS=0 V）在375 nm紫外光下实现232 mA W?1响应度（R）和77%外量子效率（EQE），3 μs快速响应及6.35×1010 Jones探测率（D*），为传感器内卷积处理（in-sensor computing）提供了高集成度解决方案。

　　

材料创新与器件设计

研究团队通过化学气相传输法（CVT）合成高质量一维三元材料Nb₂Pd₃Se₈纳米线，其窄带隙（≈1.1 eV）和4.5 eV功函数与二维WSe₂形成I型能带对齐。原子力显微镜（AFM）和扫描透射电镜（STEM）证实异质结界面存在0.8 nm范德华间隙，开尔文探针力显微镜（KPFM）显示0.22 eV表面电势差，为光生载流子分离提供内置电场。

性能突破机制

通过栅压（-30V至30V）调控WSe₂的费米能级，实现n-p/n-n⁺构型切换：负栅压下形成n-p结，光电子向Nb₂Pd₃Se₈迁移产生负光电流；正栅压诱导n-n⁺结，光电流方向反转。一维活性区（≈3 μm²）将光限制在亚波长尺度，增强375 nm紫外光的热载流子收集效率，使EQE达77%。

应用验证

基于线性功率依赖特性（I_ph∝P^0.88-1），研究团队模拟3×3卷积核实现边缘检测（Sobel算子）、图像锐化和高斯模糊。MoSe₂/MoS₂异质结的重复实验证实该架构普适性，为机器视觉和微型光谱仪提供新范式。

技术优势

相比传统双栅极器件，单栅调控简化设计复杂度；自供电特性降低能耗；1D/2D混合维度结构兼具载流子定向传输（1D）与界面兼容性（2D），突破半金属窄带隙材料暗电流高的限制。STEM能谱（EDS）证实元素均匀分布，保证器件稳定性。

未来展望

该工作为混合维度vdW器件在人工智能和环境监测中的应用奠定基础，后续可探索晶圆级异质结集成和多光谱协同感知。温度依赖测试（30-300K）显示Nb₂Pd₃Se₈本征半导体特性，预示其在极端环境应用的潜力。