科研进展丨二维/三维异质结光电探测器：多维调控策略与智能传感应用
随着信息时代的快速发展，器件集成度与智能传感的需求日益提升。二维材料凭借其原子级厚度、量子限域效应及范德华层间耦合等独特的光电特性，成为极具潜力的光电平台。尤为重要的是，其表面无悬挂键的特性，使其能够与传统半导体、金属、电介质等各类材料实现无需晶格匹配的异质集成，为构建紧凑、新颖的智能传感技术开辟了新路径。然而，二维材料极短的光与物质相互作用长度限制了其在强光-物质相互作用场景下的应用。相比之下，三维材料在体几何尺度上具备更灵活的相互作用长度调控能力。鉴于二维材料在性能与制造工艺上尚无法局部替代传统半导体（如硅），将其与三维半导体进行异质集成能有机结合二维材料的独特光电特性与三维半导体成熟的电子功能，在未来智能光电子应用领域更具现实意义。
近日，松山湖材料实验室/中国科学院东莞材料科学与技术研究所林生晃研究员与太原理工大学李国辉教授合作，以“Band Engineering and Structural-Geometrical Engineering in 2D/3D van der Waals Heterostructures for Advanced Photodetection and Intelligent Sensing” 为题发表综述性论文（Nano-Micro Lett. 2026, 18, 298），系统梳理了二维/三维范德华异质结光电探测器领域的最新进展。文章从物理机制出发，深入探讨了能带结构设计、界面优化、外场耦合以及新颖拓扑构型等关键调控策略，并进一步探索了其与CMOS兼容及智能传感光电系统的融合机遇。
一、二维/三维异质结：从性能互补到系统集成的桥梁
研究团队指出，二维/三维异质结在多个维度展现出独特优势。三维材料成熟的大面积、高均匀性制备工艺有效降低了对精确层对准的依赖，使二维/三维集成成为连接前沿研究与工业应用的可行过渡策略，并且二维功能层与三维器件架构的协同可在不显著增加结构复杂度的前提下引入偏振探测、可重构光响应、智能机器视觉等新颖功能。同时，该集成路径通过功能性薄膜的逐层堆叠与垂直互连，可实现紧凑、高集成度的异质堆叠系统。
图1. 2D/3D系统与体材料和2D/2D系统在功能，集成方面的比较研究
二、多维调控策略
图2. 二维/三维异质结光电器件的关键调控策略
为实现高性能、多功能光电探测，研究团队从多个关键维度系统总结了二维/三维异质结的优化策略：能带结构工程，界面工程，电场耦合，结构几何工程。各策略在作用机制与实现路径上各有侧重，能带结构工程聚焦于材料本征属性的源头设计，通过对二维材料与三维半导体能带排列的系统设计，优化载流子的产生、分离与输运过程，为器件性能奠定基础。界面工程着眼于异质结界面的实际接触质量。与静态的材料与界面设计不同，电场调控充分利用二维材料优异的静电可调性，通过电场实现能带动态调制，使单一器件具备响应极性反转、光谱选择切换等动态可重构功能，在灵活性上具有显著优势。结构几何工程则开辟了光场调控的新维度，在二维材料中引入非均匀应变场与局域限域效应, 为复杂光场信息感知提供有力支撑。
三、总结与展望
本文系统阐述了二维/三维范德华异质结在能带结构设计、界面优化、电场耦合、结构几何工程等维度的调控策略，全面梳理了从高性能光电探测到智能感知系统应用的最新进展。
图3. 研究进展与未来发展趋势
从商业化角度来看，二维/三维异质结在走向实际应用的过程中仍需在多方面持续突破。最基础的是发展大面积、高质量、可控制备技术，优化界面工程策略，并开发与CMOS工艺兼容的低温集成流程。另一方面，需深入探究二维/三维异质结界面电荷转移动力学、缺陷态调制等基础物理机制，发展具备原位数据处理能力且与系统集成兼容的新型智能光电传感架构，推动从单个器件向模块化、芯片级和系统级实现的转化。从器件集成角度来看，需要发展针对二维材料特性的电路设计与封装策略，增强器件在实用环境下的稳定性，同时优化高精度二维材料转移和对准技术，以最大限度降低晶界、厚度不均匀性和应力对器件性能的影响。
本文中，杨苗苗 (联培博士生) 为第一作者，松山湖材料实验室/中国科学院东莞材料科学与技术研究所林生晃研究员和太原理工大学李国辉教授为论文共同通讯作者，本工作得到了广东省基础与应用基础研究基金（2024B1515120035）、国家自然科学基金（U21A20496）等项目的重点支持。
文章链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-026-02129-4