科學通報 | 中科大孫海定團隊光電化學探測器綜述：新型微納結構賦能光電化學光電探測器

在光電子學與信息技術高速發展的今天，如何實現高效、低能耗且具備環境適應性的光電探測，已成為科研與產業界共同關注的前沿問題。作為一類新興的光電子器件，光電化學型光電探測器（photoelectrochemical photodetectors, PEC PDs）因其自供電特性、高光電響應、簡便制備工藝和低成本優勢，正逐步走向研究熱點，并在光通信、生物傳感和智能電子等領域展現出巨大潛力。與傳統固態光電探測器不同，PEC PDs擁有獨特的半導體/電解質界面結構，其工作原理不僅涉及光生載流子的產生、分離與遷移，還融合了離子擴散和界面氧化還原過程。這一機制使得PEC PDs無需復雜的封裝，即可在液相環境中穩定運行，尤其適用于水下通信、植入式傳感以及柔性可穿戴設備等復雜場景，突破了傳統器件在功耗和環境適應性上的限制。

低維納米材料（零維量子點、一維納米線、二維納米片等）為PEC PDs性能提升提供了核心支撐。相較傳統塊體材料，其高比表面積、豐富活性位點及量子限域效應，可強化光吸收、優化載流子輸運；結合摻雜、異質結構構建等策略，還能精準調控能帶結構與界面行為，進一步提升器件響應速度、靈敏度與穩定性，助力PEC PDs拓展至生物感知、弱光探測等前沿領域。

近日，中國科學技術大學孫海定教授發表前瞻性綜述，系統梳理近年低維材料在PEC PDs領域的最新進展，總結材料設計思路與性能調控策略，分析典型應用成果，并展望未來發展方向與關鍵科學問題，為相關研究提供參考。

圖1. 低維材料在PEC PDs中的新型微納結構設計及其器件應用進展

該綜述強調了低維納米材料在PEC PDs中的應用前景，針對各類低維納米材料獨特的優勢，進行了系統的歸納和總結。零維量子點（0D）憑借量子限域效應和可調控帶隙，展現出卓越的光吸收和載流子調控能力，適用于弱光探測和小型化系統。一維納米線與納米棒（1D）則因其優異的縱向載流子輸運能力和大比表面積，在紫外探測和高靈敏響應方面表現突出。二維材料（2D）如石墨烯、黑磷和過渡金屬硫族化物，憑借高遷移率和優異柔性，在構建透明、可穿戴PEC PDs中展現優勢。混合維度結構則通過整合不同材料的特性，實現協同增益，進一步拓展了器件在光響應速度和穩定性上的極限。

進一步，強調了通過這些材料創新與結構設計，PEC PDs的應用邊界拓展和創新。在光通信方面，PEC PDs已實現基于海水電解質的無線信號傳輸，并在微秒級響應速度和百千赫茲帶寬下展現出卓越性能，有望成為未來水下通信系統的關鍵器件。在光電邏輯門領域，具有雙極性響應特性的PEC PDs為光電運算提供了全新思路，已實現包括XOR、NAND等多種邏輯功能，為新型光電計算平臺奠定了基礎。在光學成像方面，研究者構建了PEC PDs像素陣列，實現了紫外與水下成像，為低功耗、封裝簡便的成像系統提供了新方案。在生物傳感方面，PEC PDs天然具備的生物相容性和液相工作特性，使其能夠直接與體液或組織界面作用，展現出作為植入式傳感器和健康監測平臺的應用前景。

盡管目前PEC PDs的發展仍面臨一些挑戰，例如界面穩定性不足、響應速度與靈敏度進一步提升的需求，以及大規模集成制造的難題。但是，隨著低維材料設計、異質結構構建以及電解質創新的不斷進步，PEC PDs有望進一步在智能傳感、綠色能源與未來信息技術中扮演更加重要的角色。這一領域的研究不僅推動了新型光電器件的發展，也為實現智能化、低功耗、環境友好的光電子系統提供了關鍵技術支撐。PEC PDs正在成為連接納米材料科學與未來光電子應用的重要橋梁，代表著光電探測技術的新方向。

中國科學技術大學陳煒博士和劉鑫博士是本文第一作者，中國科學技術大學孫海定教授是本文的通訊作者。

文章信息

陳煒，劉鑫，王孟龍，等。新型微納結構賦能光電化學光電探測器及其研究進展. 科學通報, 2025.

doi：10.1360/CSB-2025-5177

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-5177.

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