科學通報 | 打破單極極限，雙極光譜響應探測器解鎖多維度應用新可能

近日，南京航空航天大學施大寧教授、姜明明教授課題組在《科學通報》發表了題為“雙極光譜響應探測器及其應用研究進展”的綜述文章。文章分析了雙極光譜響應探測器的核心工作機制，包括能帶工程、物理效應耦合、缺陷態誘導和光電化學機制等，闡述了該類型器件在光電邏輯門、加密通信、成像編碼和仿生視覺等前沿領域的應用潛力。

作為獲取外部信息的主要元件，光電探測器能將光信息轉化為可輸出的電信號，在自動駕駛、智能夜視及生物醫藥等領域發揮著關鍵作用。隨著信息多元化的發展，迫切需要更先進的光電探測器來滿足信息維度的提升。傳統光電探測器大多具有單極響應特性(單一的正響應或者負響應)，僅能處理有限光譜的入射光，制約了輸出信號維度的進一步拓展。雙極響應探測器能夠在輸入光信號或外部工作條件發生變化時，將其光響應信號在正向和負向之間切換，可擴展信息維度，為實現通信加密、圖譜編碼、色彩感知和智能芯片計算開辟了道路. 目前，雙極響應光電探測器已成為光電子器件領域的研究熱點。其中，雙極光譜響應探測器的核心優勢在于，可以將波長這一光學本征參量轉化為極性調控維度，僅通過切換光源波長即可控制響應的極性，在安全光通信、全光計算、色彩感知等領域具備不可替代性（圖1）。

圖1 雙極光譜響應探測器的發展

本文從工作機制、前沿應用、挑戰與展望三個方面，全面解析雙極光譜響應探測器的核心價值。

首先分析雙極光譜響應探測器的工作機制，主要包括四類：一是能帶工程調控，通過構建單個異質結（如鈣鈦礦/硅）或多結結構形成反向內建電場，不同波長的光被特定層吸收后引發載流子分離與競爭，導致光電流極性反轉；二是物理效應耦合，將光熱電效應、等離激元效應（如金屬納米顆粒局域表面等離子體共振產生熱電子）、體光伏效應、輻射熱效應等與光伏效應結合，通過光熱或熱電子注入，動態調制內建電場或載流子流向；三是缺陷態或表面態誘導，利用材料缺陷（如硒空位）或表面吸附分子（如氧氣）的光控吸附/脫附過程，改變載流子濃度或類型，實現光電導極性切換；四是光電化學輔助機制，在電解質環境中，不同波長光觸發半導體/溶液界面特定的氧化還原反應（如析氫/析氧反應），驅動載流子轉移方向改變。這些機制共同核心是通過波長選擇性調控載流子的產生、分離、傳輸或復合路徑，從而實現光電流方向的動態切換。

其次闡述了雙極光譜響應探測器通過響應模式的極性特點可開發一系列先進的前沿應用。在光電邏輯運算中，單一探測器即可通過波長選擇直接實現AND、OR、NOT、NAND、NOR等布爾邏輯功能，替代傳統多器件組合，為光計算提供簡化且可重構的硬件基礎。在安全光通信領域，利用特定波長與電流極性的綁定關系，可將信息加密于混合光信號中，僅持有密鑰波長的接收端能正確解調，顯著增強通信的抗干擾與防竊聽能力，已成功演示于紫外至短波紅外的多波段加密傳輸。在成像方面，其無需濾光片即可區分光譜的特性，被用于多光譜成像與色彩識別，簡化成像系統結構，同時在加密成像中利用極性編碼實現信息隱藏與提取。在仿生系統中，它成功模擬了人視網膜雙極細胞對色彩的拮抗處理，實現自適應色彩感知與動態對比度調節，并進一步通過正負光電流模擬神經突觸的興奮與抑制信號，構建人工光電突觸，應用于神經形態視覺感知與聯想學習等仿生計算場景。

最后，分析了雙極光譜響應探測器所面臨的挑戰，例如性能平衡（如高響應度與快速度、寬光譜與高靈敏度的矛盾）、結構復雜性與集成難度（特殊結構與標準工藝兼容性差），以及長期穩定性（鈣鈦礦及二維材料易退化、表面態機制易受環境干擾、光電化學系統電解液易失效）等挑戰。未來雙極光譜響應探測器可聚焦于突破多物理場協同新機制，開發高性能、高穩定性且工藝兼容的新材料體系，優化器件結構以實現寬光譜高靈敏度兼容與超快極性切換，并拓展其在高容量加密通信、動態智能成像及感算一體仿生視覺等領域的創新應用，推動其從實驗室走向產業落地。

南京航空航天大學物理學院姜明明教授為本文通訊作者，萬鵬助理教授為第一作者。相關研究得到了國家自然科學基金(12374257，62404101)的資助

文章信息

萬鵬, 何濤, 魏筠, 等. 雙極光譜響應探測器及其應用研究進展. 科學通報, 2026, 71(9): 1947–1963

https://www.sciengine.com/CSB/doi/10.1360/CSB-2025-5134

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