我国高性能光电传感器件研发获重要进展

西交大团队设计制备的等离激元增强铁电栅控二维场效应光电晶体管，在零工作栅压下实现了超高灵敏度和快速响应的同步提升。

电力设备放电故障的光学检测，长期卡在“微弱光信号看不见”这一关。近日，西安交通大学电气工程学院电工材料电气绝缘全国重点实验室孟国栋教授团队在这一领域取得了重要突破。他们设计制备了一种等离激元增强的铁电栅控二维场效应光电晶体管，在零工作栅压下实现了1.36×10¹⁴ Jones的比探测率和9.51毫秒的响应时间。相关成果以封面论文形式发表于国际期刊《先进光学材料》（Advanced Optical Materials）。

二维材料遇上“性能三角”困境

电力设备绝缘故障早期往往伴随局部放电，产生微弱的紫外至可见光信号。光学检测因其抗电磁干扰能力强、光谱信息丰富，是绝缘状态监测领域的重要手段。然而，传统硅基探测器在紫外波段灵敏度受限，而以二硫化钨（WS₂）为代表的新型二维材料，凭借强烈的光与物质相互作用和带隙可调特性，被视为下一代微弱光探测的有力候选。

但问题在于，基于二维材料的光电器件长期面临三重瓶颈：一是，单层WS₂光吸收有限，光电转换效率偏低；二是，光增益与响应速度难以同步提升，高增益往往依赖长寿命光生载流子，代价就是响应变慢；三是，提升性能通常需要持续外施栅压调控，导致泄漏电流和功耗显著增大。

灵敏度、速度、功耗三者构成了二维光电探测器的“性能三角”困境，这也是该领域多年来的攻关焦点。

等离激元×铁电：两套机制协同破局

孟国栋团队的思路是引入两套外部调控机制，分别对应上述瓶颈：

第一套是等离激元增强。团队首先通过有限时域差分法仿真，优选出入射光场增强最大时的金纳米粒子粒径，再以Au纳米粒子阵列作为光场增强层制备在WS₂沟道上方。当入射光与金纳米粒子发生局域表面等离激元共振时，一方面在材料附近产生强烈局域光场增强，激发更多光生载流子；另一方面，共振过程产生的热载流子可注入WS₂，提供额外的光电导增益。

第二套是铁电栅控。团队以约10纳米厚的铝掺杂氧化铪（Al:HfO₂）超薄纳米铁电薄膜作为栅介质层。铁电材料具有剩余极化特性，即使撤去外电场，极化方向仍可保持。这意味着，器件可以在零栅压下，依靠铁电层的剩余极化电场持续调控沟道载流子浓度和金属-半导体接触势垒，无需持续耗电维持栅压。

除此之外，极化静电场还能降低界面势垒、促进载流子隧穿输运，缩短载流子渡越时间。这恰好命中了“增益与速度不可兼得”这一核心矛盾——两种机制协同，同时拉升响应灵敏度、光电转换效率与响应速度。

（等离激元增强的铁电栅控新型高性能二维场效应光电晶体管）

零栅压下的三项关键数据

最终的实验结果显示，在零工作栅压下，器件的比探测率提升至1.36×10¹⁴ Jones，这一指标衡量器件捕捉微弱光信号的能力，数值越高意味着能探测更暗的光；同时，响应时间缩短至9.51毫秒，满足了电力设备在线监测对实时性的要求。

更关键的是，这个性能是在零栅压条件下实现的，器件无需额外功耗维持栅压，从根本上降低了传感单元的运行功耗，为构建大规模、高密度的传感阵列扫清了一个重要障碍。

值得注意的是，比探测率与响应速度此前往往此消彼长。该工作通过“等离激元增敏+铁电场调控”双管齐下，在灵敏度和速度两个维度同时取得突破，同时规避了外加栅压带来的功耗代价。这正是该方案区别于传统二维光电晶体管的核心差异点。

从实验室走向电网监测现场

这项研究的直接应用场景，是电力设备放电故障的光学检测。高压开关柜、变压器、GIS组合电器等设备，在绝缘劣化过程中会产生微弱放电光信号。能够高灵敏度、快速且低功耗地捕捉这些信号，就等于为电网装上了一台“光学听诊器”。

据团队介绍，该成果为面向电力设备放电故障检测的微弱光信号探测、低功耗光电传感单元及高灵敏传感阵列的设计与实现提供了重要技术支撑。从单个器件到阵列化传感单元，再到与现有电力设备在线监测系统融合，这一路径仍有材料均匀性、器件长期可靠性等待验证环节，但核心性能瓶颈的突破，无疑为后续工程化提供了新的思路。

从WS₂沟道到Au纳米粒子阵列，再到10纳米厚的Al:HfO₂铁电薄膜，这枚光电晶体管的创新之处不在于某种新材料的单点突破，而在于用等离激元和铁电极化两种机制的协同，把二维光电探测器长期互斥的“灵敏度-速度-功耗”三角约束逐一化解。封面论文的认可，也意味着这一技术路径获得了光学材料领域同行的正面评价。

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