科学通报 | 打破单极极限，双极光谱响应探测器解锁多维度应用新可能

近日，南京航空航天大学施大宁教授、姜明明教授课题组在《科学通报》发表了题为“双极光谱响应探测器及其应用研究进展”的综述文章。文章分析了双极光谱响应探测器的核心工作机制，包括能带工程、物理效应耦合、缺陷态诱导和光电化学机制等，阐述了该类型器件在光电逻辑门、加密通信、成像编码和仿生视觉等前沿领域的应用潜力。

作为获取外部信息的主要元件，光电探测器能将光信息转化为可输出的电信号，在自动驾驶、智能夜视及生物医药等领域发挥着关键作用。随着信息多元化的发展，迫切需要更先进的光电探测器来满足信息维度的提升。传统光电探测器大多具有单极响应特性(单一的正响应或者负响应)，仅能处理有限光谱的入射光，制约了输出信号维度的进一步拓展。双极响应探测器能够在输入光信号或外部工作条件发生变化时，将其光响应信号在正向和负向之间切换，可扩展信息维度，为实现通信加密、图谱编码、色彩感知和智能芯片计算开辟了道路. 目前，双极响应光电探测器已成为光电子器件领域的研究热点。其中，双极光谱响应探测器的核心优势在于，可以将波长这一光学本征参量转化为极性调控维度，仅通过切换光源波长即可控制响应的极性，在安全光通信、全光计算、色彩感知等领域具备不可替代性（图1）。

图1 双极光谱响应探测器的发展

本文从工作机制、前沿应用、挑战与展望三个方面，全面解析双极光谱响应探测器的核心价值。

首先分析双极光谱响应探测器的工作机制，主要包括四类：一是能带工程调控，通过构建单个异质结（如钙钛矿/硅）或多结结构形成反向内建电场，不同波长的光被特定层吸收后引发载流子分离与竞争，导致光电流极性反转；二是物理效应耦合，将光热电效应、等离激元效应（如金属纳米颗粒局域表面等离子体共振产生热电子）、体光伏效应、辐射热效应等与光伏效应结合，通过光热或热电子注入，动态调制内建电场或载流子流向；三是缺陷态或表面态诱导，利用材料缺陷（如硒空位）或表面吸附分子（如氧气）的光控吸附/脱附过程，改变载流子浓度或类型，实现光电导极性切换；四是光电化学辅助机制，在电解质环境中，不同波长光触发半导体/溶液界面特定的氧化还原反应（如析氢/析氧反应），驱动载流子转移方向改变。这些机制共同核心是通过波长选择性调控载流子的产生、分离、传输或复合路径，从而实现光电流方向的动态切换。

其次阐述了双极光谱响应探测器通过响应模式的极性特点可开发一系列先进的前沿应用。在光电逻辑运算中，单一探测器即可通过波长选择直接实现AND、OR、NOT、NAND、NOR等布尔逻辑功能，替代传统多器件组合，为光计算提供简化且可重构的硬件基础。在安全光通信领域，利用特定波长与电流极性的绑定关系，可将信息加密于混合光信号中，仅持有密钥波长的接收端能正确解调，显著增强通信的抗干扰与防窃听能力，已成功演示于紫外至短波红外的多波段加密传输。在成像方面，其无需滤光片即可区分光谱的特性，被用于多光谱成像与色彩识别，简化成像系统结构，同时在加密成像中利用极性编码实现信息隐藏与提取。在仿生系统中，它成功模拟了人视网膜双极细胞对色彩的拮抗处理，实现自适应色彩感知与动态对比度调节，并进一步通过正负光电流模拟神经突触的兴奋与抑制信号，构建人工光电突触，应用于神经形态视觉感知与联想学习等仿生计算场景。

最后，分析了双极光谱响应探测器所面临的挑战，例如性能平衡（如高响应度与快速度、宽光谱与高灵敏度的矛盾）、结构复杂性与集成难度（特殊结构与标准工艺兼容性差），以及长期稳定性（钙钛矿及二维材料易退化、表面态机制易受环境干扰、光电化学系统电解液易失效）等挑战。未来双极光谱响应探测器可聚焦于突破多物理场协同新机制，开发高性能、高稳定性且工艺兼容的新材料体系，优化器件结构以实现宽光谱高灵敏度兼容与超快极性切换，并拓展其在高容量加密通信、动态智能成像及感算一体仿生视觉等领域的创新应用，推动其从实验室走向产业落地。

南京航空航天大学物理学院姜明明教授为本文通讯作者，万鹏助理教授为第一作者。相关研究得到了国家自然科学基金(12374257，62404101)的资助

文章信息

万鹏, 何涛, 魏筠, 等. 双极光谱响应探测器及其应用研究进展. 科学通报, 2026, 71(9): 1947–1963

https://www.sciengine.com/CSB/doi/10.1360/CSB-2025-5134

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