蘇州大學「國家杰青」團隊，連發2篇Nature大子刊！

從“性能突破”到“按需定制”：鈣鈦礦光電探測器走向應用新范式

光電探測器是光通信、成像、工業控制、智能交通和人工智能等領域的核心器件。長期以來，硅、InGaAs 等傳統無機半導體憑借成熟的材料體系、穩定的制造工藝和可靠的長期運行表現，牢牢占據主流應用市場。然而，隨著可穿戴設備、航空航天、自動駕駛和類腦智能等新興應用的興起，光電探測器正面臨前所未有的挑戰：這些場景不僅要求更高的靈敏度和響應速度，還對器件的形態、選擇性、多維信息獲取能力以及系統級集成提出了高度定制化的需求。傳統“標準化探測器+外部光學或算法模塊”的解決路徑，正逐漸暴露出體積龐大、結構復雜、成本上升等問題。近年來，金屬鹵化物鈣鈦礦光電探測器在響應度、探測率和響應速度等核心性能指標上取得了跨越式進展，部分指標甚至已超越商用硅探測器。然而，其可靠性、穩定性和一致性仍然制約著其在傳統應用中的直接替代。正是在這一背景下，“為特定應用量身定制”的鈣鈦礦光電探測器，被認為是推動其走向實際應用和商業化的重要突破口。

在此，蘇州大學李亮教授聯合馬來西亞理工大學Abd. Rashid bin Mohd Yusoff教授發表了綜述文章中，系統回顧了鈣鈦礦光電探測器從標準化器件到高度定制化器件的發展歷程。文章首先梳理了傳統光電探測器的應用需求與局限，隨后詳細總結了鈣鈦礦光電導型、光二極管型和光晶體管型探測器在性能層面的持續突破。在此基礎上，重點討論了多種新興的定制化鈣鈦礦光電探測器，包括形狀定制、選擇性探測、多維信息探測、動態追蹤以及類腦視覺傳感器等方向。作者指出，鈣鈦礦材料獨特的低能量合成、溶液可加工性和缺陷容忍特性，使其在“低成本、高自由度定制”方面具備不可替代的優勢，但穩定性、器件一致性及工藝兼容性仍是未來亟待解決的關鍵問題。相關成果以“”為題發表在《Nature Electronics》上。孫浩軒副教授和Chen Li.為共同第一作者。

李亮，教授，博士生導師。2006年在中國科學院獲得博士學位；2007—2012年，分別在新加坡國立大學、日本產業技術綜合研究所、日本國立物質科學研究所、加拿大西安大略大學從事博士后研究；2012年8月，加入蘇州大學物理科學與技術學院，并成立能量轉換與存儲實驗室；2024年1月，被任命為蘇州大學物理科學與技術學院院長。作為課題負責人先后榮獲國家基金委“杰青”、“優青”、重點、中組部“海外人才”、科技部重點研發等項目支持。

近些年，金屬鹵化物鈣鈦礦光電探測器逐漸顯現出獨特優勢。過去十余年中，這類器件在響應度、探測率和響應速度等核心指標上持續突破，其綜合性能已逼近甚至超過商用硅探測器（圖1a）。然而，與此同時，鈣鈦礦材料本身較低的晶格結合能和化學穩定性，也使其在可靠性方面難以直接替代傳統器件。這一“性能領先但應用受限”的現實，使研究者開始重新思考鈣鈦礦光電探測器的真正價值所在。與傳統無機半導體不同，鈣鈦礦材料可以在低能耗條件下合成，并通過溶液工藝直接沉積在多種基底之上，無論是玻璃、金屬還是復雜曲面，都具備良好的工藝適應性（圖1b）。更為關鍵的是，這類材料具有顯著的缺陷容忍特性，即便在形貌、成分或維度被大幅調整的情況下，仍能保持優異的光電性能（圖1c）。正是這種“高自由度、低門檻”的材料特征，使鈣鈦礦在定制化光電探測領域展現出傳統半導體難以比擬的潛力。

圖1：光電探測器應用場景及鈣鈦礦定制化優勢

在早期研究階段，鈣鈦礦光電探測器的發展主要沿著“標準化器件性能提升”的路線展開。最初采用的光電導型結構，以其簡單的平面構型和易于制備的優勢，迅速驗證了鈣鈦礦材料在光探測領域的可行性。隨著高質量單晶鈣鈦礦的引入，器件在弱光條件下展現出極高的響應度和外量子效率（如圖2b所示）。但與此同時，光電導器件在響應速度與靈敏度之間始終存在難以兼顧的權衡關系，這也促使研究者轉向更具結構優勢的光二極管體系。通過在鈣鈦礦層兩側引入電子與空穴傳輸層，p–n 結型光二極管逐漸成為性能優化的重要方向。這類器件在零偏壓或低偏壓條件下即可實現高探測率，其噪聲水平不斷接近理論極限。進一步結合添加劑工程和界面調控手段，自供能器件的外量子效率被提升至接近100%的水平（圖2d）。在響應速度方面，近年來通過引入熱釋電效應和界面復合調控機制，大面積器件的響應時間已進入皮秒量級（圖2e），標志著鈣鈦礦光電探測器在“快”這一維度上實現了質的飛躍。

圖2：鈣鈦礦光電導型與光二極管型探測器

在追求更高綜合性能的過程中，光晶體管結構逐漸顯現出獨特優勢。由于內建放大機制的存在，這類器件的響應度可遠超傳統光二極管，同時仍保持較高探測率。通過構建鈣鈦礦與二維半導體之間的混合維度異質結構，并對陷阱態進行精細調控，研究者成功打破了“高響應度必然伴隨慢響應”的傳統認知，實現了納秒級響應速度與高靈敏度的兼顧（圖3b）。在現階段，光晶體管被認為是綜合性能最為均衡的一類鈣鈦礦光電探測器。

圖3：鈣鈦礦光晶體管

當器件性能逐步逼近物理極限后，研究重心開始從“性能競賽”轉向“功能重構”。依托溶液加工和形貌可塑性的優勢，鈣鈦礦光電探測器得以突破平面結構限制，被直接制備在球面或曲面基底上，形成具備寬視角成像能力的半球形探測結構。這類器件在仿生視覺和空間感知中展現出獨特潛力（圖4a）。與此同時，高分辨打印技術使鈣鈦礦材料能夠被精確地排列成復雜圖案，實現帶隙梯度調控，從而支持全可見光范圍內的彩色成像（圖4b）。在光信息高度復雜的應用場景中，選擇性探測能力變得尤為重要。通過調控材料維度、組分和器件結構，鈣鈦礦探測器可以對特定波長、偏振態或調制頻率的光信號產生選擇性響應。在強背景光干擾下，頻率選擇性器件仍能穩定提取目標信號（圖4c），為自由空間光通信提供了新的抗干擾方案。進一步結合電學調控與算法重構，單個鈣鈦礦探測器甚至可以完成完整的光譜解析任務，在極小尺寸內實現高分辨率光譜重構（圖4d）。

圖4：定制化鈣鈦礦光電探測器

在更具挑戰性的動態感知和智能感測領域，鈣鈦礦光電探測器的定制化潛力被進一步放大。柔性、曲面器件能夠在大視角范圍內捕捉光信號變化，并結合機器學習算法實現目標的三維定位與動態追蹤（圖4e）。而在類腦視覺方向，鈣鈦礦材料所具備的離子遷移、光記憶和非線性響應特性，使其天然適合承擔“感知—存儲—計算”一體化任務。通過模擬生物視網膜的工作機制，相關器件已經在圖像增強、去噪和自適應響應等方面展現出類腦處理能力（圖5a–c）。

圖5：類腦鈣鈦礦視覺傳感器

小結

總體來看，鈣鈦礦光電探測器的發展已進入一個新的階段。性能上的持續突破為其奠定了堅實基礎，而真正推動其走向應用的關鍵，在于能否充分發揮材料的高度可定制特性，在傳統半導體難以勝任的場景中形成不可替代的解決方案。盡管穩定性、一致性和工藝兼容性仍是亟待解決的挑戰，但隨著低溫制造和新型集成技術的不斷成熟，定制化鈣鈦礦光電探測器正逐步從實驗室走向真實應用，為智能感知和未來光電子系統打開新的可能。