說明 | 本文來自論文作者（課題組）投稿

孫悟空是我國非常著名的神話人物，他在“大鬧天宮”時意外獲得“火眼金睛”，能夠從復雜環境中識別隱藏的妖魔鬼怪。現實生活中，雙色紅外探測技術亦是突破傳統光強度探測瓶頸，利用紅外雙色信息實現復雜環境中的目標識別。

近日，中國科學院上海技術物理研究所王鵬青年研究員、胡偉達研究員，復旦大學周鵬教授等人合作，利用二維材料可任意堆疊的“樂高”屬性，設計了一種基于范德華異質結構的新型雙色紅外探測器，在單個光敏元中實現對兩個波段光的同時探測，能夠在復雜場景中識別特定目標，同時室溫工作能力極大的降低了探測組件的體（積）重（量）和功耗，展現了范德華異質結構在小型化、智能化光電探測系統中的應用前景。

該研究以“Van der Waals Two-color Infrared Photodetector”為題發表在 Light: Science & Applications，并入選期刊封面文章。

中科院上海技術物理研究所博士研究生吳培松、華中科技大學葉鐳副教授和華中科技大學博士研究生童磊為論文的共同第一作者，中科院上海技術物理研究所王鵬青年研究員、胡偉達研究員和復旦大學周鵬教授為本文的共同通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金、中科院青促會和上海市自然科學基金的支持。

“一個器件同時探測兩個波段”，范德華紅外雙色探測器

雙色探測是指具有兩個波段或波長的探測能力，是實現在復雜環境下目標識別的有效手段之一。

“乍一看，這是個簡單的‘1+1=2’的事情，其實不然。表面上看，要實現雙色探測，我們可以簡單的將兩種器件（材料）排列，亦或是將兩種芯片垂直堆疊，再或是通過光學濾光的手段實現。但是，即使不考慮材料或器件在制備上的可行性，此時獲取的信息在時間或空間上存在較大的不一致性，同時后續的光學系統設計和信息處理將更為復雜；所以，這種簡單粗暴的雙色探測往往會造成‘1+1＜2’的效果”中科院上海技物所王鵬青年研究員解釋道。

“如果能在單個光敏元上實現雙色光的探測，不僅能提高器件功能的集成度，同時也在為整個探測系統減負，達到‘1+1＞2’的效果”中科院上海技物所胡偉達研究員說道。

為此，研究團隊利用二維層狀材料層間范德華力鍵合的特點，設計了一種基于p-n-p能帶結構的黑磷/二硫化鉬/硅（bP-MoS?-Si）異質結紅外雙色探測器。bP和Si分別作為中紅外和近紅外吸收層，MoS?作為電子收集層的同時，還作為阻擋層隔斷兩種光生少子的流通，降低雙色探測過程中的電信號串擾；同時，利用薄膜Si的短波濾光作用，器件采用雙拋硅背照射方式，降低雙色探測過程中的光子串擾。

“保證探測器靈敏度的基礎上，我們把串擾控制在0.05%以下，這是后續成功開展應用的前提保障。”王鵬解釋道。

時空一致的紅外雙色成像

范德華p-n-p結構引入了兩個方向相反的內建電場，能夠完成對兩個波段的光子吸收、光生載流子的分離和輸運，并且這兩個內建電場可以同時工作，分別輸出兩個波段的光響應信號。

“垂直結構實現兩個波段的光同軸入射，這能保證雙色光響應的空間一致性，大大降低光學組件復雜程度；兩個內建電場同時工作，雙色信息的獲取沒有時間差；這種雙色探測是真正意義上時空一致。”胡偉達解釋道。

復旦大學周鵬教授看好這一研究成果的發展前景，他說道“這項研究在低維材料和多維信息之間碰撞出了火花，在高靈敏、小型化基礎上實現了多光譜成像，未來在無人機甚至手機上都有望看到這種智能成像芯片。”

抗疫新裝備：雙色紅外測溫儀  

隨著新冠疫情的發展，防疫工作對高性能、便攜式的測溫設備的需求越來越迫切。公共場所的出入都需要測量體溫，目前使用最廣泛的是基于“熱-電”機制的紅外探測設備。

“這種紅外測溫設備通常需要盡可能的貼近我們的皮膚，而且它的工作環境溫度需要盡可能穩定才能獲得較準確的數值。這是因為單譜段溫度測量需要知道與被測目標的距離，同時外界環境溫度對熱紅外探測器的性能穩定性影響很大，增加了防疫人員和大眾的風險。”王鵬解釋道。

雙色測溫在一定程度上通過雙波段比值的方法摒除了距離的影響，使得實測溫度更加接近被測溫度，同時兼具非接觸式等優點。

信息化和智能化是未來紅外探測技術的發展趨勢，同時愈發復雜的應用場景以及不斷發展的‘反探測’技術，對紅外探測器提出了更高的要求。“傳統通過提高探測器靈敏度、擴大焦平面規模的解決方式在現階段已觸到瓶頸，較低的工作溫度和龐大的體重限制了高性能紅外探測器的應用領域”胡偉達這樣說道，“突破單一‘強度’探測維度，充分挖掘光信息維度在目標識別的應用潛力，同時還要保證探測靈敏度的前提下提高工作溫度，只有更輕巧才能應用更廣泛。”

論文信息

Wu, P., Ye, L., Tong, L. et al. Van der Waals two-color infrared photodetector. Light Sci Appl 11, 6 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00694-4