“吃光就能干活”的“超級眼”誕生
文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-11-13 16:43:40
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上海外灘的燈火映照著跨年的人潮，復(fù)旦大學(xué)光電實驗室里，一名博士生正專注地捕捉著納米材料界面微弱且復(fù)雜的分子振動信號。當終于獲得期待已久的數(shù)據(jù)時，她立即給導(dǎo)師張榮君發(fā)消息：“老師，我獲得了材料清晰的層間相互作用信號，可以充分支撐我們的推斷，這真是我最特別的跨年禮物！”
近日，復(fù)旦大學(xué)信息學(xué)院教授張榮君團隊在《激光與光子學(xué)評論》發(fā)表的最新研究成果顯示，他們研制的二維過渡金屬硫化物（TMDs）合金異質(zhì)結(jié)器件，像“超級眼”，有兩樣看家本領(lǐng)：一是“眼神”超好，“看得寬”，從紫外線到近紅外線都能看見；二是“吃光就能干活”，不用外接電源，僅憑光照即可穩(wěn)定工作。 這項成果的背后，是張榮君團隊長期的堅持。在二維材料研究這個全球熱點領(lǐng)域，張榮君團隊選擇了一條艱難但有價值的路徑——從被動接受材料的固有屬性，邁向主動設(shè)計與調(diào)控界面行為的新階段。 給光電探測器裝上“超級眼” 2004年，石墨烯作為第一種被成功分離和驗證的二維材料，由英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆與康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過機械剝離法首次獲得。兩位科學(xué)家因此獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎，掀起了二維材料研究的全球熱潮。 但二維材料光電探測器這一“超級眼”有個致命傷：光變電的瞬間，電荷“產(chǎn)生得快，消失得更快”，就像曇花一現(xiàn)；同時分離效率低，大部分能量都白白浪費了。 “我們當時在文獻調(diào)研和實驗中反復(fù)確認，不解決這兩個根本問題，‘超級眼’的潛力就永遠無法釋放。”從碩士階段就投身此項研究的論文第一作者、復(fù)旦大學(xué)博士生丁依凡回憶道。 為此，科研團隊連著開了幾場組會。“大家都憋著一股勁，想把這兩個問題徹底解決掉。”張榮君說。 光電探測器負責捕捉光信號并轉(zhuǎn)化為電信號，廣泛用于成像、通信、傳感等領(lǐng)域。但是，傳統(tǒng)探測器的“眼神”不太行：有的像需要一直連著“充電寶”的近視眼，離了電就罷工；有的像“色盲”，只能識別少數(shù)幾種光；還有的得了“夜盲”，一到晚上在微弱光線下根本看不清。 “這樣的‘眼睛’肯定滿足不了未來智能設(shè)備的需求。”張榮君笑道。 如今，二維材料光電探測是學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的熱點領(lǐng)域，大家都期待它能突破傳統(tǒng)技術(shù)的局限。在這項研究中，團隊打出了“合金工程+能帶工程”的組合拳，構(gòu)建了MoSSe/MoSe2異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，形成內(nèi)置電場。這個內(nèi)置電場就像隱形的推手，能高效地把光生電子和空穴分開，顯著提升載流子分離效率，相當于同時解決了“電荷跑不動”和“電荷容易丟”兩個難題。 “如果這個技術(shù)能落地，應(yīng)用場景會特別多。”張榮君暢想道，比如給人工智能（AI）機器人裝個“超級眼”，它在復(fù)雜光照下也能精準識別；在偏遠地區(qū)裝無人值守的傳感器，不用換電池也能實時監(jiān)測環(huán)境；在6G通信里做安全探測，讓數(shù)據(jù)傳輸更可靠。 目前，團隊已圍繞這項技術(shù)進一步開展研究。他們沿著能帶工程這條核心技術(shù)路線，研發(fā)出的器件除了“自供電”和“看得寬”，還能“辨偏振”，將多功能集成的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實。團隊希望盡快推動它從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用，走進更多人的生活。 從“做得出”到“做得好” “連續(xù)半個多月做的器件都不合格，廢棄的硅片堆了滿滿一盒，當時真的想過要不要暫時停下來。”丁依凡回憶起材料制備階段的困境時說。 那段時間實驗室格外安靜，只有儀器運行時微弱的嗡鳴聲。她和同學(xué)們每天輪流趴在顯微鏡前，手指反復(fù)旋轉(zhuǎn)旋鈕以精確調(diào)整樣品位置。長時間的聚焦讓眼睛酸脹發(fā)紅，指尖也因為持續(xù)受力而變得紅腫?？梢坏┎僮髦谐霈F(xiàn)絲毫偏差，二維材料就會撕裂或在界面產(chǎn)生氣泡——這些納米尺度的缺陷，足以讓整個器件前功盡棄。整個實驗，容不得半點馬虎。 更大的挑戰(zhàn)來自器件性能的優(yōu)化。“一些關(guān)鍵性能指標始終達不到理想水平。”丁依凡說，“后來通過系統(tǒng)的理論分析與樣品表征，我們發(fā)現(xiàn)電極接觸和界面處的微觀污染物是主要癥結(jié)。” 在張榮君的指導(dǎo)下，團隊引入退火工藝并優(yōu)化電極設(shè)計，從每一個細節(jié)著手提升器件性能。“這段經(jīng)歷讓我們深刻理解，在納米尺度下，任何細微的污染或缺陷都可能對器件產(chǎn)生致命影響。我們也從最初只追求‘做得出’，逐漸懂得為何做、如何做得好。”丁依凡說。 在攻堅的日子里，團隊成員間的互助從未間斷。師兄會將材料轉(zhuǎn)移的技巧整理成文檔發(fā)在群里，師姐會手把手教丁依凡他們操作空間分辨光電流譜儀。張榮君時常給學(xué)生們打氣：“實驗室里沒有單打獨斗，解決每個人的困難是大家的共同目標。” 如今回望，那些與微觀世界較勁的日夜，成了大家最珍貴的記憶。“張老師常說，科研不只是為了出成果、發(fā)論文，更是要培養(yǎng)能扛事、懂機制的開拓者。”丁依凡笑道。 “指對方向、指準路” 2004年，正在德國從事洪堡學(xué)術(shù)研究的張榮君，密切關(guān)注著石墨烯材料科學(xué)的重要里程碑。 “石墨烯的發(fā)現(xiàn)讓我看到了一個全新的研究維度。”他回憶道，“當時我就意識到，二維材料在光電領(lǐng)域蘊藏著巨大潛力，值得投入整個科研生涯去探索。”從那一刻起，將二維材料的光電潛力挖透、挖深，就成了他堅定不移的科研初心。 從最初系統(tǒng)研究二維過渡金屬硫族化合物的光電響應(yīng)機制，到近年來帶領(lǐng)團隊在異質(zhì)結(jié)能帶調(diào)控與界面工程中實現(xiàn)突破，他一步步將基礎(chǔ)認知轉(zhuǎn)化為具有創(chuàng)新功能的探測器原型。 談及未來，張榮君的規(guī)劃很明確：一方面帶領(lǐng)學(xué)生繼續(xù)拓展二維材料的應(yīng)用邊界，把探測器的響應(yīng)波段再拓寬、性能再優(yōu)化；另一方面推進醫(yī)工結(jié)合，讓科研成果真正用于醫(yī)療檢測、柔性電子等領(lǐng)域。 張榮君認為，光電探測技術(shù)不僅是學(xué)術(shù)熱點，更是產(chǎn)業(yè)升級、國家戰(zhàn)略安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“我最欣慰的不是發(fā)表了多少論文，而是看到學(xué)生既能深入機理又能面向?qū)嶋H，成為國家科技創(chuàng)新體系中擔當重任的接班人。將經(jīng)驗傳遞下去，指對方向、指準路——這是我們這一代科研人的使命。” 相關(guān)論文信息： https://doi.org/10.1002/lpor.202501936 《中國科學(xué)報》 (2025-11-12 第3版 領(lǐng)域)
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