氧钝化驱动的单层MoSe2缺陷修复以实现超高光电响应

为微弱光线打造更敏锐的“眼睛”

在极微弱光照下仍能看清物体对安防摄像、夜视系统和环境传感等技术至关重要。这项研究展示了如何用氧对由钼和硒原子构成的单原子层进行温和“修复”，使其成为一种极为灵敏的光电探测器，能够捕捉到远低于传统器件可见信号的微弱光强。

修补平面晶体中的微小缺陷

研究聚焦于一类超薄材料——二维过渡金属硫族化物，这类材料只有一层原子厚度，却能与光发生强烈相互作用。该家族中常见的成员MoSe2具有适合可见光的带隙，并且在空气中相对稳定。然而，通过化学气相沉积在大面积生长时，其晶格常会产生缺失的硒原子——微小的空位，这些空位就像载流子运动中的坑洼。缺陷会俘获电子和空穴，将入射光能以热的形式浪费掉，降低材料的发光并削弱有用信号。

用一口氧气来“治愈”

研究者没有通过叠加不同二维材料来构建复杂异质结构，而是在生长过程中通过引入精细调控的氧气量来改造MoSe2本身。他们将富含空位的MoSe2 (VSe‑MoSe2) 与氧钝化的MoSe2 (OP‑MoSe2) 进行了比较。显微观察显示，经氧处理的晶体长成光滑的等边三角形，而富空位的薄片形状更不规则。拉曼与光致发光测量表明，氧处理样品具有更清晰的振动特征和更强的发光，这些都是晶体质量改善、危害性缺陷减少的明显标志。低温光学测试甚至揭示了与多激子复合物相关的谱线特征，这类特征通常只出现在非常洁净、有序的材料中。

氧如何改变电子能态景观

为理解原子尺度上发生的变化，团队借助量子力学模拟和表面敏感的光谱学研究。计算显示，硒空位在能隙中引入了深能级，充当载流子的陷阱，让电荷陷入并消失。当氧原子占据空位时，它与钼形成强键，能显著消除这些深能级，取而代之的是接近导带边的小浅能级。紫外光电子测量证实，氧使材料的功函数发生位移并使其更偏p型，将能级与器件所用金电极的能带更好地对齐。综合这些变化可减少无辐射复合造成的能量损失并促进电荷在探测器中的传输。

构建超灵敏的光探测器

研究者随后在生长于二氧化硅晶片上的单层MoSe2上布置金属电极，制成简单的光电探测器。在波长为530纳米的绿光照射下，氧钝化器件表现出令人瞩目的性能：在极弱的光强89纳瓦/平方厘米下，其光电响应率达到约0.74 × 10⁵ 安培/瓦，远远超过富空位器件及绝大多数已报道的MoSe2探测器。其特异探测率达10¹⁴ Jones量级，表明器件能将极微弱信号从噪声中区分出来，噪声等效功率降到约0.087飞瓦/根赫兹。尽管灵敏度极高，探测器响应时间仍为数十毫秒，并在空气中数周保持稳定，经过数百次开关循环后性能几乎无明显衰减。

从实验室器件到夜间守望者

为凸显实际应用，团队演示了模拟安防监控场景的弱光追踪实验。一个低功率绿光LED位于距器件约1.5米处，将一束窄光照射到探测器上，同时移动物体周期性遮挡光束。氧钝化的MoSe2光电探测器能清晰记录到因慢速或快速运动引起的电流下降，表明它在远低于普通室内照明的光强下仍能跟踪移动目标。该能力与简单的制程和可扩展的生长工艺相结合，表明经过氧“治愈”的单层MoSe2有望成为未来紧凑型、高灵敏相机与传感器的核心，在光线稀缺环境下仍能可靠工作。

引用: Yadav, S., Salazar, M.F., Hardeep et al. Oxygen passivation driven defect states healing in monolayer MoSe₂ for ultra-high photoresponsivity. npj 2D Mater Appl 10, 29 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00666-5

关键词: 二维光电探测器, MoSe2, 缺陷钝化, 弱光探测, 氧掺杂