图1  WSe2 SFG-PD器件的结构示意图以及工作原理示意图

该器件基于WSe₂/h-BN/Gra异质结的能带对齐和量子隧穿效应进行工作。作为沟道材料的WSe₂ 能够高效吸收光子并产生光生载流子，而h-BN作为隧穿层，在施加适当的栅压脉冲下，允许载流子快速隧穿至半浮栅（Gra）中，从而在沟道材料中产生镜像电荷并形成可调的内建电场，如图1所示。该设计能够在光照下高效地产生并探测电流，同时其非易失性特征使得器件在关闭后仍能保持之前的信号状态。WSe₂ SFG-PD器件通过静电掺杂的方式形成可调的内建电场，从而实现对器件内部主导载流子的动态调控。这种方法克服了传统光伏探测器在内建电场单向性、光吸收能力弱、载流子输运行为固定等方面的局限。

图2  WSe2 SFG-PD器件的可逆光响应和光电性能测试

研究人员对具有可重构光响应特性的WSe₂ SFG-PD 器件的光电特性进行了进一步探索。图2 展示了器件在 Vcg-pulse = ±20 V、偏置电压为 0 V 时，637 nm波长下的光响应。由于WSe₂ 通道中的能带排列可以在 ±Vcg-pulse 调控下能够形成 p⁺-p 或 n-p 同质结，并产生具有相反内建电场的显著光伏效应，因此，在637 nm激光照射下，可以观察到可重构的整流行为以及可逆的正/负光伏响应，如图2c所示。在这两种模式（p⁺-p 和 n-p 结）下，器件的自驱动响应率（Responsivity）分别达到 2.76 A/W 和 1.63 A/W，比探测率（Detectivity）分别为7.86 × 10¹¹ 和4.42 × 10¹¹ Jones，超过了其他同类半浮栅光伏光电器件的性能。其自驱动下的噪声等效功率（NEP）与外量子效率（EQE）分别为4.76×10^-15 W/Hz^1/2和8.47 × 10-15 W/Hz^1/2以及537% 和318%，表明了该器件具有将光信号高效转换为电信号的卓越能力。当Vcg-pulse = +20 V且偏压为1 V 时，器件实现超大的响应度和探测率分别达到292.20 A/W 和 4.16 × 10^¹² Jones，并实现569倍的外量子效率峰值，表明其在检测微弱光信号方面具有极强能力。

图3  WSe2 SFG-PD器件的光电响应速度测试表征及性能对比

响应速度是WSe2 SFG-PD 器件的一大优势，体现了其追踪快速切换光信号的能力。如图3所示，在Vcg-pulse = +20 V、偏压为 0 V 的条件下，器件的光响应时间为τr = 8.77 μs，τd = 2.02 μs；在Vcg-pulse = -20 V、偏压为 0 V 的条件下，光响应时间为τr = 5.92 μs，τd = 7.80 μs。显然，在两种不同模式（p⁺-p 和 n-p 结）的内建电场作用下，器件均表现出极快且相近的响应速度。图3g展示了本研究中开发的 WSe2 SFG-PD 器件与其他已报道的WSe₂ 复合结构光电探测器在响应速度方面的性能对比。该器件在637 nm激光照射下实现了最快2.02 μs 的响应速度，优于现有的复合结构WSe₂光电探测器，进一步突显了WSe2 SFG-PD 器件在实际应用中的显著优势。

图4  光电混合通信应用

在此基础上，研究人员探究了可编程光伏型光电探测器在通信领域的应用。研究者将WSe₂ SFG-PD 器件应用于一种采用双通道并行时分复用模式的光电混合通信系统中。首先实现了二进制光电混合输入信号的实时输出，进而将其转换为平衡三进制电信号。器件输出的模拟电信号经过计算机程序处理后被转换为数字电信号，随后再转化为ASCII和Unicode编码，最终呈现为中文字符。由此可见，WSe₂ SFG-PD 器件在光电混合通信领域展现出广阔的应用前景。

总结与展望

本工作设计并实现了具有高速，低功耗、多信道调控的WSe₂ SFG可编程光伏光电探测器。科研人员们通过操控背栅的脉冲电压，实现了载流子的存储与抹除，成功获得了一种具有可编程、非易失性、自驱动特性的光电探测器，表现出超快的响应/恢复速度（分别为 8.77 μs / 2.02 μs 和 5.92 μs / 7.80 μs）、高响应度（2.76 A/W 和 1.63 A/W）、高比探测率（7.86 × 10¹¹ Jones 和 4.42 × 10¹¹ Jones）、低噪声等效功率（4.76 × 10⁻15 W/Hz¹ᐟ² 和 8.47 × 10⁻15 W/Hz¹ᐟ²）、高外量子效率（537% 和 318%），以及优异的数据保持性能（> 2 × 10³ s）。此外，通过切换器件的内建电场（p⁺-p / n-p 结），研究人员使得WSe₂ SFG-PD 器件实现了双通道光电混合通信，为光电混合通信提供了一种快速、高效且便捷的新型解决方案。