科學(xué)通報 | 中科大孫海定團隊光電化學(xué)探測器綜述：新型微納結(jié)構(gòu)賦能光電化學(xué)光電探測器

在光電子學(xué)與信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，如何實現(xiàn)高效、低能耗且具備環(huán)境適應(yīng)性的光電探測，已成為科研與產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的前沿問題。作為一類新興的光電子器件，光電化學(xué)型光電探測器（photoelectrochemical photodetectors, PEC PDs）因其自供電特性、高光電響應(yīng)、簡便制備工藝和低成本優(yōu)勢，正逐步走向研究熱點，并在光通信、生物傳感和智能電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。與傳統(tǒng)固態(tài)光電探測器不同，PEC PDs擁有獨特的半導(dǎo)體/電解質(zhì)界面結(jié)構(gòu)，其工作原理不僅涉及光生載流子的產(chǎn)生、分離與遷移，還融合了離子擴散和界面氧化還原過程。這一機制使得PEC PDs無需復(fù)雜的封裝，即可在液相環(huán)境中穩(wěn)定運行，尤其適用于水下通信、植入式傳感以及柔性可穿戴設(shè)備等復(fù)雜場景，突破了傳統(tǒng)器件在功耗和環(huán)境適應(yīng)性上的限制。

低維納米材料（零維量子點、一維納米線、二維納米片等）為PEC PDs性能提升提供了核心支撐。相較傳統(tǒng)塊體材料，其高比表面積、豐富活性位點及量子限域效應(yīng)，可強化光吸收、優(yōu)化載流子輸運；結(jié)合摻雜、異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建等策略，還能精準調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)與界面行為，進一步提升器件響應(yīng)速度、靈敏度與穩(wěn)定性，助力PEC PDs拓展至生物感知、弱光探測等前沿領(lǐng)域。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定教授發(fā)表前瞻性綜述，系統(tǒng)梳理近年低維材料在PEC PDs領(lǐng)域的最新進展，總結(jié)材料設(shè)計思路與性能調(diào)控策略，分析典型應(yīng)用成果，并展望未來發(fā)展方向與關(guān)鍵科學(xué)問題，為相關(guān)研究提供參考。

圖1. 低維材料在PEC PDs中的新型微納結(jié)構(gòu)設(shè)計及其器件應(yīng)用進展

該綜述強調(diào)了低維納米材料在PEC PDs中的應(yīng)用前景，針對各類低維納米材料獨特的優(yōu)勢，進行了系統(tǒng)的歸納和總結(jié)。零維量子點（0D）憑借量子限域效應(yīng)和可調(diào)控帶隙，展現(xiàn)出卓越的光吸收和載流子調(diào)控能力，適用于弱光探測和小型化系統(tǒng)。一維納米線與納米棒（1D）則因其優(yōu)異的縱向載流子輸運能力和大比表面積，在紫外探測和高靈敏響應(yīng)方面表現(xiàn)突出。二維材料（2D）如石墨烯、黑磷和過渡金屬硫族化物，憑借高遷移率和優(yōu)異柔性，在構(gòu)建透明、可穿戴PEC PDs中展現(xiàn)優(yōu)勢。混合維度結(jié)構(gòu)則通過整合不同材料的特性，實現(xiàn)協(xié)同增益，進一步拓展了器件在光響應(yīng)速度和穩(wěn)定性上的極限。

進一步，強調(diào)了通過這些材料創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)設(shè)計，PEC PDs的應(yīng)用邊界拓展和創(chuàng)新。在光通信方面，PEC PDs已實現(xiàn)基于海水電解質(zhì)的無線信號傳輸，并在微秒級響應(yīng)速度和百千赫茲帶寬下展現(xiàn)出卓越性能，有望成為未來水下通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。在光電邏輯門領(lǐng)域，具有雙極性響應(yīng)特性的PEC PDs為光電運算提供了全新思路，已實現(xiàn)包括XOR、NAND等多種邏輯功能，為新型光電計算平臺奠定了基礎(chǔ)。在光學(xué)成像方面，研究者構(gòu)建了PEC PDs像素陣列，實現(xiàn)了紫外與水下成像，為低功耗、封裝簡便的成像系統(tǒng)提供了新方案。在生物傳感方面，PEC PDs天然具備的生物相容性和液相工作特性，使其能夠直接與體液或組織界面作用，展現(xiàn)出作為植入式傳感器和健康監(jiān)測平臺的應(yīng)用前景。

盡管目前PEC PDs的發(fā)展仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如界面穩(wěn)定性不足、響應(yīng)速度與靈敏度進一步提升的需求，以及大規(guī)模集成制造的難題。但是，隨著低維材料設(shè)計、異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建以及電解質(zhì)創(chuàng)新的不斷進步，PEC PDs有望進一步在智能傳感、綠色能源與未來信息技術(shù)中扮演更加重要的角色。這一領(lǐng)域的研究不僅推動了新型光電器件的發(fā)展，也為實現(xiàn)智能化、低功耗、環(huán)境友好的光電子系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。PEC PDs正在成為連接納米材料科學(xué)與未來光電子應(yīng)用的重要橋梁，代表著光電探測技術(shù)的新方向。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳煒博士和劉鑫博士是本文第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定教授是本文的通訊作者。

文章信息

陳煒，劉鑫，王孟龍，等。新型微納結(jié)構(gòu)賦能光電化學(xué)光電探測器及其研究進展. 科學(xué)通報, 2025.

doi：10.1360/CSB-2025-5177

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-5177.

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