二维材料因其独特的物理和化学性质，在光电探测领域展现出巨大潜力。然而，传统金属和半金属电极的功函数固定，难以大范围可调，限制了其在二维金属 - 半导体 - 金属（MSM）结构光电探测器中的应用，难以实现理想的能带对齐和性能优化。此外，金属沉积过程可能导致二维材料界面损伤，进一步影响器件性能。

近日，松山湖材料实验室和华南理工大学联合开展的研究取得重要进展，该团队成功开发出一种具有广泛可调功函数的聚合物电极，并将其应用于非对称MSM结构的二维光电探测器设计中，显著提升了器件性能，为下一代柔性、自驱动光电探测器的发展提供新思路。

研究团队采用了一种溶液加工的透明 PEDOT:PSS 电极，通过调节 PSS 与 PEDOT 的比例，实现了从 5.1 eV 到 3.2 eV 的大范围功函数调节。利用这种聚合物电极，构建了与二维过渡金属二硫化物（TMDs）的异质结构。实验中，团队采用转移技术实现 PEDOT:PSS 电极与二维TMDs的范德华集成，形成非对称接触结构，用于实现高性能的自驱动二维光电探测器。由于PEDOT:PSS电极在可见到短波红外区间有着较高的透过率，可以利用MSM结构的内发射机制实现亚带隙波段的检测。

实验结果显示，基于这种聚合物电极的二维 WSe₂ 光电探测器在性能上取得了显著提升。其整流比高达约 10⁵，远超大多数已报道的 TMD 基非对称 MSM 结构。在 520 nm 激光照射下，器件展现出优异的自驱动能力，无需外部偏压或栅压即可工作，这为可穿戴光电器件的应用提供了巨大优势。此外，该器件在 200 µW 激光功率下实现了高达 10⁸ 的光 - 暗电流比，暗电流低至 10⁻¹³ A，表明其具有极高的信噪比和出色的探测能力。在低功率条件下，器件的响应度（R）可达 1.8 A/W，探测度（D*）高达 2.34 × 10¹¹ Jones，微秒级的超快响应速度以及扩展的近红外响应，展现了卓越的光探测性能。

图 1.基于功函数为5.1 eV和3.2 eV的非对称PEDOT:PSS电极的二维WSe2光电探测器性能。(a)器件结构示意图；(b)520 nm波长下的I-V曲线； (c)自驱动光探测器在520 nm波长入射光（光功率为 200 μW）照射下得到的I-T数据； (d) 响应度与比探测率随着入射光强的变化；(e)不同入射波长下的最大光响应度与比探测率 (蓝色背景为光伏工作模式，红色背景为MSM结构内发射机制)；(f) 零偏置电压下，器件在520 nm入射波长下的响应速度；(g-i) 器件的性能对比图。

该聚合物电极不仅在 WSe₂ 基光电探测器中表现出色，还成功应用于其他多种 TMDs 材料，如 MoTe₂、WS₂、InSe 和 SnS₂，均实现了从可见光到近红外（NIR）区域的扩展响应。其透明性使得器件能够有效减少反射和吸收损失，进一步提升了光探测效率。此外，基于 PEDOT:PSS 电极的二维光电探测器还展现出优异的柔性和机械耐久性，在 5000 次弯曲循环后性能变化小于 15%，且在不同弯曲角度下仍能保持稳定的光电性能，这为可穿戴电子设备的发展提供了有力支持。

图2.二维过渡金属二硫化物 (TMDs)基光电探测器中不对称 PEDOT:PSS 接触的普适性研究。(a) PEDOT:PSS/TMDs异质结用于拓展 TMDs 基光探测器的响应至近红外光谱；(b) 不同功函数的 PEDOT:PSS 电极对应的透射光谱；(c) 在 1550 nm光照下，激光功率分别为 60、30 和 20 μW时，不同 TMDs 材料与不对称 PEDOT:PSS 接触的光电流；(d) 基于不对称 PEDOT:PSS/TMDs结的光电探测器与已报道的 MSM 基光电探测器的光暗电流比和响应时间对比图。

图 3. 柔性PEDOT:PSS/WSe2光电探测器。(a)柔性器件结构示意图；(b)光学照片； (c) 弯曲测试性能(曲率半径为1.5 cm)；(d)不同弯曲角度下的归一化光电流；(e)环境稳定性测试。

撰稿：新型光电功能材料与器件团队