Science Bulletin | 大曲率能带工程开辟二维异质结高速光成像新范式

研究背景

高速成像技术的持续进步正不断突破时空分辨率极限，使人们能够直接观测对光电子学至关重要的超快物理过程。然而，其性能仍受限于本征载流子动力学，尤其是界面处载流子分离效率不足，从而制约了器件响应速度与信噪比（SNR）。

为解决这一瓶颈，研究表明，界面能带弯曲所产生的内建电场可有效驱动载流子快速分离与提取，从而实现更高速、更高质量的成像输出。二维材料及其范德华异质结构由于具备原子级厚度、可调带隙及高载流子迁移率等优势，能够实现更理想的能带对齐与高效载流子输运，因此被认为是构建下一代高速成像器件的理想平台。在异质结光电探测器中，界面能带对齐与弯曲程度直接决定载流子的分离与传输效率。传统半导体-半导体（S-S）异质结受限于势垒高度与能带工程窗口，难以形成足够强的内建电场，从而限制载流子驱动能力。相比之下，金属-半导体（M-S）结构虽可利用功函数差产生更强的内建电场并提高分离效率，但金属界面引入的高态密度会诱发界面缺陷态与金属诱导能隙态（MIGS），进而导致费米能级钉扎、有效势垒降低及暗电流增加，削弱器件整体性能。

因此，无论是受限于势垒高度与内建电场强度的S-S结构，还是受界面缺陷与能级钉扎效应影响的M-S结构，均难以同时满足高速成像对超快响应与高信噪比的综合需求。

成果简介

该研究提出了一种以“能带曲率”为统一评价指标的界面能带工程策略，用于描述并优化二维异质结中的界面势垒调控行为。与已有工作通常仅分别关注势垒高度或势垒宽度不同，该方法将界面能带弯曲作为综合表征参数，实现了对载流子输运势垒的整体优化描述。

基于该理念，研究构建了由二维半金属2H-NbSe2与二维半导体WSe2组成的大曲率范德华异质结（LCVH），通过高功函数与低界面态密度的协同作用，实现了界面势垒与费米能级钉扎的联合调控，从而显著增强界面能带弯曲特性。

该器件表现出8.62×10−15A的超低暗电流、105光/暗电流比以及6.12/4.69 μs的快速响应时间，并成功应用于高速可见光成像。在相同信噪比条件下，其探测带宽较传统金属-半导体结构提升约四倍。该研究为二维光电子器件中的高速成像提供了一种有效的界面能带工程策略。

研究亮点

提出能带曲率统一描述界面调控机制

构建NbSe2/WSe2大曲率异质结调控界面势垒

兼具低暗电流与快速光响应，实现高速光成像

图文导读

图1. 大曲率范德华异质结能带结构设计及高速成像性能展示

（a–c）S-S (a)、M-S (b)和SM-S的原子结构（左）及能带结构（中、右）示意图；（d）LCVH高速成像性能展示

文章信息

Yan Zhou, Wei Shangguan, Huihui Yu, Haoran Zeng, Yuting Xu, Junli Du, Xiankun Zhang, Zheng Zhang, Yue Zhang. Large band curvature in semimetal-semiconductor NbSe

2

/WSe

2 

heterojunctions for high-speed imaging. Science Bulletin, 2026; DOI: 10.1016/j.scib.2026.07.005.