超宽带光电探测器能够实现紫外、可见光、红外至太赫兹多波段光电信号的一体化转换，在多光谱成像、光谱分析、安全安检、量子通信与环境遥感等领域具备不可替代的核心价值。拓扑绝缘体凭借体相绝缘、表面金属态的独特电子结构，表面态载流子呈现无质量狄拉克费米子特征，兼具超高迁移率与宽光谱吸收能力，为超宽带探测提供全新物理基础。新型插层拓扑绝缘体SnBi₂Te₄兼具窄带隙、可调表面电导率与优异空气稳定性，可通过化学气相输运法规模化制备，是突破室温超宽带探测瓶颈的理想材料。
据麦姆斯咨询报道，近日，上海大学与中国科学院上海技术物理研究所的研究团队开展SnBi₂Te₄纳米片的光电特性研究，构建金属-半导体-金属（MSM）结构探测器，通过光导效应与电磁诱导势阱效应协同作用，实现可见光至0.519 THz太赫兹的超宽光谱室温探测，在可见光-红外波段实现高响应度与低噪声，在太赫兹波段实现1.83 μs超快响应，并完成室温高分辨太赫兹透射成像验证，为新一代室温超宽带光电探测技术提供全新材料方案与器件范式。相关研究成果以“Ultrabroadband SnBi₂Te₄ Photodetectors From Visible to Terahertz”为题发表在Advanced Materials期刊上。
高质量SnBi₂Te₄晶体制备与SnBi₂Te₄探测器架构
研究团队采用化学气相输运（CVT）法制备高质量层状SnBi₂Te₄单晶，以高纯锡、铋、碲粉末按1:2:4化学计量比混合，碘为输运剂，构建800 ℃高温区与600 ℃低温区，恒温7天后在低温区获得大面积层状晶体。该方法通过精准控温（波动±1 ℃）与气氛调控，有效避免元素分凝与缺陷生成，保障晶体高质量生长。图1展示了SnBi₂Te₄晶体的生长与表征。
图1 SnBi₂Te₄晶体的生长与表征
SnBi₂Te₄光电探测器采用MSM平面结构，以机械剥离的SnBi₂Te₄纳米片（厚度约110 nm）为光敏层，高阻硅为衬底，Cr/Au为欧姆电极，引入蝶形天线增强太赫兹波耦合效率。该器件在不同波段采用差异化工作机制，双机制协同作用使探测器突破带隙限制，实现可见光至太赫兹的连续超宽带响应：（1）可见光至长波红外波段（635 nm–10.6 μm）是基于光电导效应（PCE）；SnBi₂Te₄光学带隙约0.47 eV，光子能量大于带隙时，价带电子吸收光子跃迁至导带，产生电子-空穴对，在外加偏压下快速分离并被电极收集，形成光电流。（2）太赫兹波段（0.02–0.519 THz）是基于电磁诱导势阱（EIW）效应；太赫兹光子能量极低（4.14 meV@1 THz），无法触发带间跃迁；在太赫兹电场作用下，金属电极中的多数载流子被“泵浦”至半导体沟道并被势阱限制，提升载流子浓度与电导率，在外加偏压下形成光电流。该机制无带间跃迁过程，响应速度远快于传统光导效应。
在可见光至长波红外波段的探测性能
SnBi₂Te₄光电探测器基于PCE在635 nm–10.6 μm宽波段实现稳定响应，覆盖可见光、近红外、中波红外与长波红外波段。图2展示了该器件在可见光至长波红外波段的光响应机制和光电性能。结果表明，SnBi₂Te₄光电探测器在可见光至长波红外波段实现高响应度与低噪声，最小噪声等效功率低至8.5 pW・Hz⁻¹ᐟ²（980 nm），峰值比探测率达4.99×10⁸ Jones，具备优异弱光探测能力。
图2 SnBi₂Te₄光电探测器在可见光至长波红外波段的光响应机制和光电性能在太赫兹波段的探测性能
根据能带理论，价带中的电子只有在光子能量超过带隙时才能被激发到导带成为自由电子。由于太赫兹波的光子能量极低，低于带隙Eg，不足以将价带电子激发到导带。因此，基于带隙的光电导效应不适用于太赫兹波段的探测机制。EIW效应是一种创新的光电探测机制，为器件在太赫兹波段的响应提供了理论基础。SnBi₂Te₄光电探测器基于EIW效应实现0.02–0.519 THz连续太赫兹波高灵敏探测。图3和图4展示了该器件在太赫兹波段的光响应机制及其光电性能。结果显示，该器件在太赫兹波段响应速度显著优于可见光至长波红外波段，实现下降时间1.83 μs超快响应。
图3 SnBi₂Te₄光电探测器在太赫兹波段的光响应机制及其在0.0239 THz辐射下的光电性能
图4 SnBi₂Te₄光电探测器在太赫兹波段的光电性能
为了更好地评估SnBi₂Te₄光电探测器的性能，研究人员将其与近期报道的基于二维材料的光电探测器进行了比较，相关结果如图5所示。结果显示，该探测器的响应时间达到当前室温拓扑绝缘体太赫兹探测器最优水平，并且在响应带宽和噪声等效功率方面也表现出优异的光电探测性能。
图5 基于不同二维材料的室温光电探测器的性能比较
室温太赫兹透射成像应用验证
针对太赫兹波兼具对非极性材料的高穿透性和高分辨率的双重特性，研究人员搭建室温二维扫描太赫兹成像系统，已进行室温太赫兹透射成像应用验证，相关系统设置及结果如图6所示。该结果证实SnBi₂Te₄探测器可实现室温、非制冷、高分辨太赫兹成像，在安检成像、无损检测、生物医学成像等领域具备实用价值，突破传统太赫兹成像系统需制冷、体积大的瓶颈。
图6 利用SnBi₂Te₄光电探测器实现室温太赫兹透射成像
总结综上所述，这项研究首次实现SnBi₂Te₄拓扑绝缘体超宽带光电探测器，通过光导效应与电磁诱导势阱效应协同，成功覆盖可见光至0.519 THz太赫兹全光谱，实现室温、高灵敏、超快响应与高稳定性探测。该工作突破传统超宽带探测器的带隙限制、制冷依赖与稳定性瓶颈，证实SnBi₂Te₄拓扑绝缘体在室温超宽带光电探测领域的显著优势，为多光谱传感、太赫兹通信、安检成像与遥感技术提供全新材料与器件方案。未来可通过栅压调控、异质结集成与阵列化设计，进一步提升器件性能并推动芯片化、规模化应用，在人工智能、医疗健康、环境监测与国防安全领域展现广阔应用前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202520961
（来源：MEMS）
