突破二维材料光电探测在响应波段、灵敏度和多功能集成方面的瓶颈，为生医成像、分子手性、光纤通信，以及片上光谱仪研发等实际应用提供全新平台！
近日，太阳成集团122ccvip张学进团队在微纳光电探测领域取得重要进展。研究人员构建出一种基于等离激元超表面与二维MoS2/WSe2异质结集成的新型光电探测器件，在响应带宽、灵敏度和多功能集成方面都有卓著的提升。该器件巧妙借助了两种特殊的光子态：anapole态与准连续域中的束缚态（Quasi-BICs），在近红外二区窗口实现了与商用探测器相媲美的光探测能力。
光学anapole态增强型二维手性光电探测器：突破二维材料探测波长极限
二维过渡金属硫族化合物以其原子级厚度、强激子效应和优异的机械柔性，被视为下一代光电器件的理想候选材料。然而，传统二维材料光电探测器受限于其本征带隙，响应波段主要集中在可见光范围，难以覆盖对生医成像和光纤通信至关重要的近红外二区窗口。此外，利用双光子吸收等非线性光学过程虽可拓展响应波段，但其本征效率极低，严重限制了器件的实际应用。
如何攻克这一难题？太阳成集团122ccvip研究团队基于在光与物质互作用方面的前期积累及深刻认知，提出了将高品质单晶Ag等离激元超表面与MoS2/WSe2范德华异质结进行片上集成的方案。该方案的核心在于：
构建高阶光学共振：通过精心设计的超表面结构，激发出Quasi-BICs和经anapole态形成的高阶多极子。这些模态将光场极端局域在亚波长尺度，获得了超过800
的局域电场增强。这一平台为双光子吸收等弱非线性过程提供了前所未有的增强效能。
多机制协同增效：该器件的光响应来自三重贡献：双光子吸收增强、等离激元弛豫产生的“热载流子”注入，以及异质结层间激子的共振增强。这种光学与电学过程的协同作用，使得相较于无结构器件，性能提升了约5万倍。该器件在1550 nm波段的响应度高达1.35 A/W，不逊于商用的InGaAs探测器。
内置手性探测功能：通过打破超表面结构的镜面对称性，研究团队成功为同一器件“植入”了手性光探测功能。该器件在1550 nm波段对左旋和右旋圆偏振光的区分度高达7.2，实现了无外置元件的片上圆偏振光探测。
图 1. 高性能光电探测器示意图。
创新技术：光场调控与手性光电响应
该研究系统阐明了高阶多极子在增强二维材料非线性光学过程中的关键作用。通过单晶Ag表面的非对称结构阵列，研究团队达成了对局域光场模态的精确调控。数值模拟与实验结果表明，该超表面结构支持的Quasi-BICs主要由电四极子等高阶多极子主导。与传统的电偶极子主宰截然不同，这种高阶多极子的有效模式体积更小、近场局域更强。
在实验验证中，研究团队进一步展示了该器件在光学和光电响应上的线性与圆偏振分辨能力：
偏振分辨：由于结构对不同线偏振光的响应差异，器件的光电流表现出强烈的各向异性，获得高达40的线偏振比，远超传统的二维材料光电探测器。
手性分辨：通过引入横向位移破缺结构对称性，器件对左旋和右旋圆偏振光表现出显著不同的吸收和光电流响应。圆偏振光电流的区分度在1550 nm处可达7.2，且可通过调节结构参数进行调控，有望催生新一代紧凑型手性光谱分析器件。
图2.器件的光学与光电增强效应。a，左图：激子共振下的双光子吸收过程示意图。右图：器件的共振模式。b，来自 SiO2/Si 基底（放大 100 倍）和 Ag 超表面上的 MoS2/WSe2异质结产生的基频激光（右，1550 nm）及 SHG 信号（左，775 nm）的归一化光谱。SHG：二次谐波产生。c，在 975 至 1625 nm 激发波长下，测量得到的 SiO2/Si 和 Ag超表面上 MoS₂/WSe₂ 异质结的 SHG 强度。其中 SiO2/Si 基底上的信号强度已被放大 104倍。右侧纵轴：由实验数据计算得到的 SHG 增强因子。d，在 2 mW 激光激发下，Ag超表面上 MoS2/WSe2异质结的开/关切换行为。e，在近红外二区，MoS2/WSe2异质结在 Ag 超表面、单晶Ag 以及 SiO2/Si 基底上的光响应。
图3.器件的线偏振特性。a,b，在水平 (a) 和垂直 (b) 偏振光入射下，集成结构的实测反射光谱。三个彩色阴影区域分别代表 c–j 中测量的波长：1060 nm、1200 nm 和 1550 nm。c,d，在 1550 nm 光照下，样品旋转 360° 时，来自 SiO2/Si 基底上 MoS2/WSe2异质结的归一化 SHG 垂直分量极坐标图 (c) 和光电流极坐标图 (d)。e–j，在 1060 nm (e,f)、1200 nm (g,h) 和 1550 nm (i,j) 光照下，样品旋转 360° 时，来自超表面上 MoS2/WSe2异质结的归一化 SHG 垂直分量极坐标图 (e,g,i) 和光电流极坐标图 (f,h,j)。
图4.器件的手性光电响应。a，在结构不对称性 Δy变化下，左旋圆偏振和右旋圆偏振光入射时反射谱的计算映射图。与图 1 结构相比，周期扩大至 P = 1200 nm。b,c，在 Δx = 50 nm 破缺镜面对称的情况下，左旋圆偏振LCP (b) 和 右旋圆偏振RCP (c) 光照下反射谱随 Δy变化的计算映射图。d,e，在 Δx = 50 nm 下，LCP (d) 和 RCP (e) 光照下实测的反射谱随 Δy变化。侧边附有 SEM 图像。f，在 Δx = 50 nm、Δy = 250 nm、波长 1550 nm 条件下，计算得到的 LCP 和 RCP 光照下超表面单元表面的电场强度分布。g，上图：在Δx = 50 nm、Δy = 250 nm 下，LCP 和 RCP 光照时的实测反射谱。下图：在 LCP（橙色）和 RCP（蓝色）光照下，基频激光（右，1550 nm）及来自 Ag 超表面上 MoS2/WSe2异质结产生的SHG 信号（左，775 nm）的归一化光谱。h，上图：LCP 和 RCP 光的响应度谱。下图：光电响应的手性区分比。i，在 1550 nm 波长下，响应度随椭偏角变化的极坐标图。
实际应用与前景展望：迈向智能、多功能集成光电子芯片
基于该平台构建的光电探测器成功验证了通过纳米光子学工程手段突破二维材料本征极限的巨大潜能。未来，该技术有望在以下领域发挥关键作用：
近红外二区生医成像：利用其在近红外二区窗口的高灵敏探测能力，支持对深层组织的高分辨活体成像。
高速光纤通信：作为接收端核心器件，兼容现有通信波段，其室温工作特性可简化系统设计，降低能耗。
片上光谱与偏振分析：器件内置的偏振分辨和手性探测功能，使得在单一芯片上开展紧凑、多维度（强度、波长、偏振）的光信息检测成为可能。
柔性可穿戴光电子系统：结合二维材料的柔性特点，该增强策略可为发展高性能、可弯折的便携式传感设备提供技术支撑。
综上所述，该研究不仅展示了通过激发anapole态与Quasi-BICs来极大提升二维材料非线性光响应效率的普适性方法，还通过结构对称性设计赋予了器件全新的手性探测功能，为下一代高性能、多功能的片上集成光电子器件提供了创新性的设计范式。该工作由太阳成集团122ccvip固体微结构物理全国重点实验室、太阳成集团122ccvip的张启航、董子豪等博士生共同完成。太阳成集团122ccvip张学进为通讯作者。该工作得到陈延峰、朱永元、陆延青、杜军和张超等老师的悉心指导。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及江苏省自然科学基金等项目的资助。相关成果以Anapole-state-enhanced 2D chiral photodetector operating in the near-infrared second window为题，于2026年2月18日发表于国际期刊Nature Communications上。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69727-z
