二维材料的快速发展，尤其是具有特殊光学和电学性质的类石墨烯二维层状化合物家族，例如MoS₂、SnS₂、MoSe₂和WSe₂等，开辟了崭新的电子和光电子器件道路，提供了新颖的平台能够用于研究其特殊的物理化学特性，当二维薄层的厚度降低到单层时，它们的带隙结构能够从间接带隙转变为直接带隙，具有较强的自旋耦合作用，能够产生特殊的自旋和能谷物理特性。光探测器在医疗分析、光电通讯、天文学、安全设备、环境监测和摄影术等领域至关重要，它能够将入射的光信号转变为电信号，在实际应用中，光探测器的重要指标参数包括灵敏度、响应和恢复速度、光谱选择性、稳定性和信噪比等等。在光探测器领域，许多具有新颖形貌的多种纳米材料已经被探索，用于改善光探测器的重要指标参数，例如具有双蛋黄结构的空心球形结构、纳米网和纳米碗阵列，特殊的结构能够提供更多的光有效路径，通过多重的光反射和折射作用提高光捕获效率。二维层状纳米材料的快速发展加速了其在形貌工程技术方面的研究和探索，目前具有新颖结构和渴望性质的二维层状化合物功能纳米材料的制备和研究仍是一个非常巨大的挑战。然而，到目前为止，具有特殊新颖结构形貌的高效二维层状半导体材料在光探测器领域的相关报道较少。

我所胡平安教授领导的研究小组，受国家自然科学基金资助，在二维层状半导体材料光探测器领域取得了重要进展。首次报道了可控制备具有新颖结构形貌规则排列的单层MoSe₂空心球阵列、独立式垂直SnS₂纳米片阵列和GaTe-InSe垂直二维p-n异质结等多种具有特殊结构的功能材料，并展示了出色的光探测器性能。

图1 单层MoSe₂空心球阵列器件示意图、基本表征及光探测器性能

单层MoSe₂空心球阵列光探测器性能研究。MoSe₂空心球功能材料展示了规则排列的单层球阵列，并呈现了清晰的空心结构，该单层MoSe₂空心球阵列展示了优异的光探测器性能，具有出色的光响应值（8.9 A W^-1），快速的响应恢复速度和较高的稳定性，并且在相同条件下其光响应值约为MoSe₂膜的10倍，通过该文章中的技术路线还制备获得了单层MoS₂空心球阵列，说明这种技术路线具有非常好的普适性，也可用于制备其他类似过渡金属二硫属化合物功能材料，该结果发表在Advanced Functional Materials. 2018, 1705153.DOI: 10.1002/adfm.201705153 (影响因子12.124，中科院分区为1区)。

图2 独立式垂直SnS₂纳米片阵列基本表征及非平面垂直光探测器性能

独立式垂直SnS₂纳米片的非平面垂直光探测器性能研究。文献报道的光探测器都是基于平片内生长的纳米薄膜材料平面光探测器，尽管它有超薄柔性的特点，但正因为超薄所以容易导致材料与金属电极之间会有漏电流及接触不良，并受基底影响严重，引起掺杂和散射，吸光能力有限，为了克服这一不足，开发了一种独立式垂直结构的SnS₂纳米片构筑的三维光探测器，为获得高光电性能材料与器件构筑提供了新的思路和范例，该结果发表在Nanoscale. 2017, 9, 9167. DOI: 10.1039/c7nr03646a (影响因子7.367，中科院分区为1区)。

图3 GaTe-InSe垂直二维p-n异质结器件示意图、光学图及光探测器性能

GaTe-InSe垂直二维p-n异质结自驱动光探测器性能研究。通过PDMS协助转移技术成功构筑了GaTe-InSe垂直p-n异质结，该p-n结展示了明显的整流效应并可通过栅极电压进行调控，整流因子高达1000。在405 nm激发波长下，自驱动光探测器的光响应值高达13.8 mA W^-1，能量转化效率达4.2%，并具有良好的稳定性和快速的光响应速度，该结果已被接收在2D Materials. 12 January 2018, Accepted (影响因子6.937，中科院分区为1区)。