從“性能突破”到“按需定制”：鈣鈦礦光電探測器走向應(yīng)用新范式

光電探測器是光通信、成像、工業(yè)控制、智能交通和人工智能等領(lǐng)域的核心器件。長期以來，硅、InGaAs 等傳統(tǒng)無機(jī)半導(dǎo)體憑借成熟的材料體系、穩(wěn)定的制造工藝和可靠的長期運(yùn)行表現(xiàn)，牢牢占據(jù)主流應(yīng)用市場。然而，隨著可穿戴設(shè)備、航空航天、自動駕駛和類腦智能等新興應(yīng)用的興起，光電探測器正面臨前所未有的挑戰(zhàn)：這些場景不僅要求更高的靈敏度和響應(yīng)速度，還對器件的形態(tài)、選擇性、多維信息獲取能力以及系統(tǒng)級集成提出了高度定制化的需求。傳統(tǒng)“標(biāo)準(zhǔn)化探測器+外部光學(xué)或算法模塊”的解決路徑，正逐漸暴露出體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)度、探測率和響應(yīng)速度等核心性能指標(biāo)上取得了跨越式進(jìn)展，部分指標(biāo)甚至已超越商用硅探測器。然而，其可靠性、穩(wěn)定性和一致性仍然制約著其在傳統(tǒng)應(yīng)用中的直接替代。正是在這一背景下，“為特定應(yīng)用量身定制”的鈣鈦礦光電探測器，被認(rèn)為是推動其走向?qū)嶋H應(yīng)用和商業(yè)化的重要突破口。

在此，蘇州大學(xué)李亮教授聯(lián)合馬來西亞理工大學(xué)Abd. Rashid bin Mohd Yusoff教授發(fā)表了綜述文章中，系統(tǒng)回顧了鈣鈦礦光電探測器從標(biāo)準(zhǔn)化器件到高度定制化器件的發(fā)展歷程。文章首先梳理了傳統(tǒng)光電探測器的應(yīng)用需求與局限，隨后詳細(xì)總結(jié)了鈣鈦礦光電導(dǎo)型、光二極管型和光晶體管型探測器在性能層面的持續(xù)突破。在此基礎(chǔ)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(tài)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(yōu)勢，但穩(wěn)定性、器件一致性及工藝兼容性仍是未來亟待解決的關(guān)鍵問題。相關(guān)成果以“”為題發(fā)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(dǎo)師。2006年在中國科學(xué)院獲得博士學(xué)位；2007—2012年，分別在新加坡國立大學(xué)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、日本國立物質(zhì)科學(xué)研究所、加拿大西安大略大學(xué)從事博士后研究；2012年8月，加入蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，并成立能量轉(zhuǎn)換與存儲實驗室；2024年1月，被任命為蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長。作為課題負(fù)責(zé)人先后榮獲國家基金委“杰青”、“優(yōu)青”、重點、中組部“海外人才”、科技部重點研發(fā)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(xiàn)出獨特優(yōu)勢。過去十余年中，這類器件在響應(yīng)度、探測率和響應(yīng)速度等核心指標(biāo)上持續(xù)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(jié)合能和化學(xué)穩(wěn)定性，也使其在可靠性方面難以直接替代傳統(tǒng)器件。這一“性能領(lǐng)先但應(yīng)用受限”的現(xiàn)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(tǒng)無機(jī)半導(dǎo)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(fù)雜曲面，都具備良好的工藝適應(yīng)性（圖1b）。更為關(guān)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(diào)整的情況下，仍能保持優(yōu)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(lǐng)域展現(xiàn)出傳統(tǒng)半導(dǎo)體難以比擬的潛力。

圖1：光電探測器應(yīng)用場景及鈣鈦礦定制化優(yōu)勢

在早期研究階段，鈣鈦礦光電探測器的發(fā)展主要沿著“標(biāo)準(zhǔn)化器件性能提升”的路線展開。最初采用的光電導(dǎo)型結(jié)構(gòu)，以其簡單的平面構(gòu)型和易于制備的優(yōu)勢，迅速驗證了鈣鈦礦材料在光探測領(lǐng)域的可行性。隨著高質(zhì)量單晶鈣鈦礦的引入，器件在弱光條件下展現(xiàn)出極高的響應(yīng)度和外量子效率（如圖2b所示）。但與此同時，光電導(dǎo)器件在響應(yīng)速度與靈敏度之間始終存在難以兼顧的權(quán)衡關(guān)系，這也促使研究者轉(zhuǎn)向更具結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的光二極管體系。通過在鈣鈦礦層兩側(cè)引入電子與空穴傳輸層，p–n 結(jié)型光二極管逐漸成為性能優(yōu)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(xiàn)高探測率，其噪聲水平不斷接近理論極限。進(jìn)一步結(jié)合添加劑工程和界面調(diào)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(yīng)速度方面，近年來通過引入熱釋電效應(yīng)和界面復(fù)合調(diào)控機(jī)制，大面積器件的響應(yīng)時間已進(jìn)入皮秒量級（圖2e），標(biāo)志著鈣鈦礦光電探測器在“快”這一維度上實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

圖2：鈣鈦礦光電導(dǎo)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(jié)構(gòu)逐漸顯現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。由于內(nèi)建放大機(jī)制的存在，這類器件的響應(yīng)度可遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光二極管，同時仍保持較高探測率。通過構(gòu)建鈣鈦礦與二維半導(dǎo)體之間的混合維度異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并對陷阱態(tài)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，研究者成功打破了“高響應(yīng)度必然伴隨慢響應(yīng)”的傳統(tǒng)認(rèn)知，實現(xiàn)了納秒級響應(yīng)速度與高靈敏度的兼顧（圖3b）。在現(xiàn)階段，光晶體管被認(rèn)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(dāng)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(zhuǎn)向“功能重構(gòu)”。依托溶液加工和形貌可塑性的優(yōu)勢，鈣鈦礦光電探測器得以突破平面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。這類器件在仿生視覺和空間感知中展現(xiàn)出獨特潛力（圖4a）。與此同時，高分辨打印技術(shù)使鈣鈦礦材料能夠被精確地排列成復(fù)雜圖案，實現(xiàn)帶隙梯度調(diào)控，從而支持全可見光范圍內(nèi)的彩色成像（圖4b）。在光信息高度復(fù)雜的應(yīng)用場景中，選擇性探測能力變得尤為重要。通過調(diào)控材料維度、組分和器件結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦探測器可以對特定波長、偏振態(tài)或調(diào)制頻率的光信號產(chǎn)生選擇性響應(yīng)。在強(qiáng)背景光干擾下，頻率選擇性器件仍能穩(wěn)定提取目標(biāo)信號（圖4c），為自由空間光通信提供了新的抗干擾方案。進(jìn)一步結(jié)合電學(xué)調(diào)控與算法重構(gòu)，單個鈣鈦礦探測器甚至可以完成完整的光譜解析任務(wù)，在極小尺寸內(nèi)實現(xiàn)高分辨率光譜重構(gòu)（圖4d）。

圖4：定制化鈣鈦礦光電探測器

在更具挑戰(zhàn)性的動態(tài)感知和智能感測領(lǐng)域，鈣鈦礦光電探測器的定制化潛力被進(jìn)一步放大。柔性、曲面器件能夠在大視角范圍內(nèi)捕捉光信號變化，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)目標(biāo)的三維定位與動態(tài)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(yīng)特性，使其天然適合承擔(dān)“感知—存儲—計算”一體化任務(wù)。通過模擬生物視網(wǎng)膜的工作機(jī)制，相關(guān)器件已經(jīng)在圖像增強(qiáng)、去噪和自適應(yīng)響應(yīng)等方面展現(xiàn)出類腦處理能力（圖5a–c）。

圖5：類腦鈣鈦礦視覺傳感器

小結(jié)

總體來看，鈣鈦礦光電探測器的發(fā)展已進(jìn)入一個新的階段。性能上的持續(xù)突破為其奠定了堅實基礎(chǔ)，而真正推動其走向應(yīng)用的關(guān)鍵，在于能否充分發(fā)揮材料的高度可定制特性，在傳統(tǒng)半導(dǎo)體難以勝任的場景中形成不可替代的解決方案。盡管穩(wěn)定性、一致性和工藝兼容性仍是亟待解決的挑戰(zhàn)，但隨著低溫制造和新型集成技術(shù)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(yīng)用，為智能感知和未來光電子系統(tǒng)打開新的可能。