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作为2D材料中的新兴成员，具有独特五边形褶皱结构的PdSe2展现了优异的性能，比如高迁移率、空气稳定和可调带隙等。近年来，基于PdSe2的光电探测器大都是基于光导、光门控和光伏效应，需要依赖于外加偏压或者内接电场来分离电子和空穴。但是基于此的高接触电阻、低响应度和响应速度慢等问题阻碍了PdSe2的进一步应用。如何解决基于这些探测机理的肖特基势垒和响应速度慢等问题，是一个具有挑战性课题。
鉴于此，安徽大学李亮教授课题组和香港理工大学严锋教授合作，通过化学气相沉积生长制备了高度各向异性的二维PdSe2晶体，报道了零偏压驱动的光热电机理用于2D偏振光电探测器（图1）。与其他的探测机理不同，光热电效应可以在零偏压下探测超宽范围波长甚至任意波长。特别的是，基于二维材料的光热电响应通过引入热载流子辅助导热打破了传统热探测器响应速度慢的限制，实现了超快光热电响应（4 µs）；是迄今为止所有报道基于PdSe2光电探测器中响应速度最快的。二维材料与光热电效应的结合，不仅利用了二维材料独特的物理性质（面内各向异性、厚度可调等），还具有了热探测器超宽范围响应的优势。此外，该探测器具有空气稳定、偏振光响应、响应度高等优势。因此，这可能为发展超快超宽偏振光探测提供实验基础。该成果以“Fast Photothermoelectric Response in CVD-Grown PdSe2 Photodetectors with In-Plane Anisotropy”为题发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202104787）上。 
图1. 2D PdSe2的结构和光热电响应mapping （来源：Adv. Funct. Mater.） 
李亮，男，安徽大学教授，博士生导师。1987年5月生，籍贯安徽省宿松县，2009年本科毕业于兰州大学，2015年毕业于中科院固体物理研究所（导师：李广海研究员），先后在中科院强磁场中心（2015年-2016年，导师：田明亮研究员）、华中科技大学（2016年-2018年，导师：翟天佑教授）从事博士后工作，2018年加入安徽大学，2021年至今在香港理工大学从事Research Fellow工作（导师：严锋教授）；主要研究方向是二维材料光电探测器；至今以第一作者或者通讯作者身份在Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等国际期刊发表论文近20篇，总引用1500余次，H指数19。
光热电效应（PTE）是一种独特的光电流机理，能够将光、热、电之间进行能量转化，由于不需要外加电场来分离光激发产生的电子和空穴对，而是通过热载流子扩散在器件中形成温度梯度来产生电能。作为热探测器的一种，光热电探测器同样具有超宽范围探测的优势，但同时也具有传统热探测器响应速度慢的缺点。随着二维材料的发展，光热电机制和二维材料的结合大大提高了热探测器的响应速度。受前期在二维光热电探测器方面的一系列开创性工作（Nat. Mater. 2019, 18, 476-481；Nat. Mater. 2020, 19, 830-837）的启发，李亮课题组设想是否可以通过制备一种具有优异性能的二维材料来解决之前报道的光热电探测器的一些缺点，比如响应速度相对慢、响应度低、材料不稳定等缺点。最近，PdSe2作为一种新兴的二维材料，由于其具有大多数二维材料不具有的独特五边形结构而显示出优异的性能引起了大家的关注。课题组尝试合成了二维PdSe2单晶，得到了具有高度各向异性结构的高质量PdSe2。进一步研究发现，使用PdSe2作为沟道材料的探测器具有自驱动探测性能。以此为突破口，课题组深入研究了其光电流机理，通过在零偏压下的“非局域化”光响应确定了光热电探测机理。课题组进一步研究了基于光热电效应探测器的一系列性能指标，发现基于PdSe2的光热电探测器在响应速度上取得了巨大突破，实现了4 µs的超快速响应。同时，该探测器还拥有空气稳定、偏振光响应、响应度高等优势。该制备方法简单、条件可控、得到的2D单晶质量高（图2）。作者通过“限域空间”的方法在管式炉中制备了2D PdSe2，并通过高分辨透射电镜、X射线电子能谱和拉曼光谱仪等仪器表征了材料的晶格取向和质量。该方法通过精确控制反应条件得到了具有高度各向异性形状的长条状的2D PdSe2晶体。
图2. 2D PdSe2的结构表征 (来源：Adv. Funct. Mater.) 该工作利用转移电极的方法制备器件，不需要使用EBL等大型仪器。进一步研究发现该探测器在零偏压光照射下，产生了光电流。当光照射在器件的两端时，产生了正负光响应（图3）。为了最终确定光电流机理，进行了光电流mapping测量。数据显示光电流信号不仅出现在材料和电极的接触区，而且光电流还出现在远离电极和材料接触的区域。通过这种“非局域”光响应排除了其他光电流机理，确定了基于PdSe2的光热电效应。 
图3. 探究探测器的光电流机理 (来源：Adv. Funct. Mater.) 最后，作者探究了基于光热电效应探测器的相关性能指标(图4)。作者以405到904 nm范围的光源为代表，验证了光热电效应超宽光谱响应的特点。接下来测试了基于热载流子辅助导热的光响应速度，数据显示出4 µs的响应时间，在实验上证明了热载流子辅助导热相对于其他探测机理的优势。之前的报道中，基于光热电效应的二维光电探测器只有Ⅱ型的韦尔半金属和黑磷显示出偏振光探测的能力，在本文中，PdSe2也显示出偏振光响应。基于此，进一步拓宽了偏振光热电探测器的材料选择范围。令人惊讶的是，该探测器放置在空气中九个月性能指标几乎没有下降，显示出惊人的稳定性，有望用于未来的实际应用中。
图4. 探测器的性能指标 (来源：Adv. Funct. Mater.) 综上，作者制备了高度各向异性的二维PdSe2晶体，报道了零偏压驱动的光热电机理用于2D偏振光电探测器。该研究为制备二维偏振光电探测器在材料选择上提供了更多的自由度。 这一成果近期发表在Advanced Functional Materials上（Adv. Funct. Mater. 2021, 2104787），论文作者为：李刚、殷诗淇、檀朝阳、陈利杰、余梦曦、李亮教授和严锋教授。上述工作得到国家自然科学基金和安徽省自然基金的资助。
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