科学通报 | 中科大孙海定团队光电化学探测器综述：新型微纳结构赋能光电化学光电探测器

在光电子学与信息技术高速发展的今天，如何实现高效、低能耗且具备环境适应性的光电探测，已成为科研与产业界共同关注的前沿问题。作为一类新兴的光电子器件，光电化学型光电探测器（photoelectrochemical photodetectors, PEC PDs）因其自供电特性、高光电响应、简便制备工艺和低成本优势，正逐步走向研究热点，并在光通信、生物传感和智能电子等领域展现出巨大潜力。与传统固态光电探测器不同，PEC PDs拥有独特的半导体/电解质界面结构，其工作原理不仅涉及光生载流子的产生、分离与迁移，还融合了离子扩散和界面氧化还原过程。这一机制使得PEC PDs无需复杂的封装，即可在液相环境中稳定运行，尤其适用于水下通信、植入式传感以及柔性可穿戴设备等复杂场景，突破了传统器件在功耗和环境适应性上的限制。

低维纳米材料（零维量子点、一维纳米线、二维纳米片等）为PEC PDs性能提升提供了核心支撑。相较传统块体材料，其高比表面积、丰富活性位点及量子限域效应，可强化光吸收、优化载流子输运；结合掺杂、异质结构构建等策略，还能精准调控能带结构与界面行为，进一步提升器件响应速度、灵敏度与稳定性，助力PEC PDs拓展至生物感知、弱光探测等前沿领域。

近日，中国科学技术大学孙海定教授发表前瞻性综述，系统梳理近年低维材料在PEC PDs领域的最新进展，总结材料设计思路与性能调控策略，分析典型应用成果，并展望未来发展方向与关键科学问题，为相关研究提供参考。

图1. 低维材料在PEC PDs中的新型微纳结构设计及其器件应用进展

该综述强调了低维纳米材料在PEC PDs中的应用前景，针对各类低维纳米材料独特的优势，进行了系统的归纳和总结。零维量子点（0D）凭借量子限域效应和可调控带隙，展现出卓越的光吸收和载流子调控能力，适用于弱光探测和小型化系统。一维纳米线与纳米棒（1D）则因其优异的纵向载流子输运能力和大比表面积，在紫外探测和高灵敏响应方面表现突出。二维材料（2D）如石墨烯、黑磷和过渡金属硫族化物，凭借高迁移率和优异柔性，在构建透明、可穿戴PEC PDs中展现优势。混合维度结构则通过整合不同材料的特性，实现协同增益，进一步拓展了器件在光响应速度和稳定性上的极限。

进一步，强调了通过这些材料创新与结构设计，PEC PDs的应用边界拓展和创新。在光通信方面，PEC PDs已实现基于海水电解质的无线信号传输，并在微秒级响应速度和百千赫兹带宽下展现出卓越性能，有望成为未来水下通信系统的关键器件。在光电逻辑门领域，具有双极性响应特性的PEC PDs为光电运算提供了全新思路，已实现包括XOR、NAND等多种逻辑功能，为新型光电计算平台奠定了基础。在光学成像方面，研究者构建了PEC PDs像素阵列，实现了紫外与水下成像，为低功耗、封装简便的成像系统提供了新方案。在生物传感方面，PEC PDs天然具备的生物相容性和液相工作特性，使其能够直接与体液或组织界面作用，展现出作为植入式传感器和健康监测平台的应用前景。

尽管目前PEC PDs的发展仍面临一些挑战，例如界面稳定性不足、响应速度与灵敏度进一步提升的需求，以及大规模集成制造的难题。但是，随着低维材料设计、异质结构构建以及电解质创新的不断进步，PEC PDs有望进一步在智能传感、绿色能源与未来信息技术中扮演更加重要的角色。这一领域的研究不仅推动了新型光电器件的发展，也为实现智能化、低功耗、环境友好的光电子系统提供了关键技术支撑。PEC PDs正在成为连接纳米材料科学与未来光电子应用的重要桥梁，代表着光电探测技术的新方向。

中国科学技术大学陈炜博士和刘鑫博士是本文第一作者，中国科学技术大学孙海定教授是本文的通讯作者。

文章信息

陈炜，刘鑫，王孟龙，等。新型微纳结构赋能光电化学光电探测器及其研究进展. 科学通报, 2025.

doi：10.1360/CSB-2025-5177

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

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