光电探测器就像是光的“翻译官”—它能将我们肉眼可见或不可见的光信号，精准地转译为电信号，从而广泛应用于成像、通信、环境感知等领域。然而，传统光电探测器存在一个明显局限：当不同能量的光子激发电子后，这些电子都会迅速“回落”到导带底部，丢失原本入射光的波段信息。因此，传统探测器只能输出灰度图像。而在多光谱成像、智能机器视觉以及复杂环境监测等前沿场景，人们往往需要更聪明的“多面手”：一种能根据需求动态切换“侦测模式”的新型探测器。这正是双模式光电探测器“一显身手”的地方。所谓双模式，指的是同一个器件可以在两种不同的光谱响应模式之间切换。要实现这样的“视觉切换”，常见的策略是构建具有多层结构的光电探测器。然而，若选用无机半导体材料，实现高质量的多层堆叠通常离不开工艺复杂、成本高昂的外延生长技术。这一限制不仅束缚了探测器功能的多样化，也对其制造工艺提出了挑战。因此，如何借助溶液法制备出高性能、结构多样的双模式探测器，成为一个非常值得探索的方向。
本文创新点
（1）针对钙钛矿与有机体异质结在激子解离方面的差异，通过溶液法将两种吸光材料简单堆叠在一起形成双吸收层，利用较小的工作电压变化（-0.4 V~0.3 V）灵活切换响应光谱范围，实现了双模式光电探测器。
（2）针对外加偏压导致的器件暗电流上升现象，本研究利用PEAI和MoOx双界面处理技术，将双模式光电探测器的暗电流降低2-3数量级，实现了高灵敏度光电探测器。
内容介绍
1）电压调制双模式光电探测器的机制
本研究通过将钙钛矿（FA₀.₉Cs₀.₁PbI₂.₈₅Br₀.₁₅）与有机体异质结（PM6:BTP-eC9）垂直堆叠形成双吸收层结构，得到了通过电压调制的双模式光电探测器。这一设计充分利用了两种“性格”迥异的光电材料：钙钛矿作为一种非激子型半导体，天生“活泼”，在室温下就能轻松将光生“电子-空穴对”解离成自由电荷；而有机层则相对“内向”，其光生“电子-空穴对”形成了束缚紧密的（界面电荷转移）激子，需要在外加电场的协助下，才能拆分成自由电荷，进而形成光电流。利用这一差异，本研究开发的探测器仅需改变工作电压（例如在-0.4 V反向偏压与+0.3 V正向偏压之间切换），就能像切换开关那样轻松指挥器件切换“探测模式”——反向时，它能同时捕捉可见光与近红外光；正向时，则只对可见光“敏感”。
图1. 电压调制双模式光电探测器的机制
2）利用双重界面处理提高双模式光电探测器的探测性能
图2. 利用PEAI和MoOx双界面处理降低双模式光电探测器暗电流
尽管将“钙钛矿活性层”与“有机活性层”直接堆叠在一起可以简便地实现双模式光探测，但确保器件的探测灵敏度不受电压切换的影响同样非常重要。这需要通过设计，使器件在整个工作电压范围内，尤其是正向偏压下保持极低的暗电流和高探测率。本研究证明“双界面修饰”策略可显著降低器件噪声：一方面，本研究采用PEAI钝化钙钛矿薄膜表面，通过降低界面缺陷抑制了缺陷诱导的复合电流；另一方面，本研究在有机层与顶部金属电极之间插入一层MoOx，抬高了电荷反向注入的“门槛”。通过二者协同作用，将器件的暗电流降低2到3个数量级。
图3. 双界面处理前后光电探测器的噪声及品质因子对比
通过双界面处理，该探测器在两种模式下均展现出优异的综合性能：超过1011 Jones的比探测率、大于190 dB的线性动态范围、低至7.0 pW cm-2的极弱光探测能力，以及出色的工作稳定性（1000次循环后性能保持95%以上）。
3）该双模式光电探测器的设计思路具有普适性
图4. 组合不同组分的钙钛矿材料与有机给受体得到多种双模式探测器
利用这一设计思路，中南大学研究团队通过组合不同组分的钙钛矿材料与有机给受体（包括FA0.9Cs0.1PbI2Br1、FA0.9Cs0.1PbI1Br2、PM6:BTP-eC9和PBDB-T：ITIC）成功制备出多种响应特征的双模式探测器（图4）。在经过相同的双界面优化后，所有器件实现了性能的大幅提升。
5）双模式光电探测器用于加密光通信
研究表明，双模式光电探测器可用于构建加密光通信系统。在图5的“光学加密”展示中，由620 nm和845 nm光分别输入 “PVK”和“BHJ”字符图像。对这些输入的光信号，双模式探测器在-0.4 V和0.3 V下分别进行响应，并得到光电流值。0.3 V下的光电流图谱显示了“PVK”图像，而通过-0.4 V和0.3 V响应之间的差分分析可提取“BHJ”图像，从而实现了加密光通信。
图5. 双模式光电探测器的加密光通信
总结与展望
在仅使用两端子器件结构设计的情况下，本研究通过溶液法将钙钛矿、有机吸光材料简单堆叠在一起形成双吸收层，即可实现电调制双模式光电探测器。此外，通过分别调控钙钛矿层与有机层组分，可对两种模式下的响应光谱范围进行独立调节，展示了该类器件的设计灵活性。研究表明，通过采用合理的界面处理降噪措施，可显著降低调节电压对器件灵敏度的影响。使探测器实现高灵敏的探测能力和出色的工作稳定性。本项研究为发展下一代智能光电系统提供了新思路。
该研究以“Low-Noise Electrically Modulated Dual-Mode Photodetectors with Perovskite/Organic Dual Absorption Layers”为题发表于《ACS Nano》期刊（文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c15681）。中南大学博士生周计轩为该研究的第一作者，指导老师为中南大学物理学院的蔺云老师和袁永波教授。研究得到国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、长沙市揭榜挂帅项目、中南大学创新驱动等项目的资金支持。