红外光电探测器在视频成像、医疗诊断、环境监测和光通信等领域具有重要应用价值，但其技术发展面临制备成本高昂、依赖低温制冷等多重挑战。近年来，基于拓扑半金属的新型探测器因其独特的拓扑能带特性引发关注：这类材料凭借高迁移率和宽谱吸收特性，在室温条件即可实现较好的红外光电响应特性。然而，拓扑半金属本征的高载流子浓度导致光生电子-空穴对快速复合，严重制约器件响应度和灵敏度提升。
近日，复旦大学张成课题组提出通过原子掺杂策略来优化材料本征特性的新思路，实现了拓扑材料光电器件的红外宽谱探测响应度的提升。这一研究成果于2025年2月7日发表于ACS Photonics，论文标题为：“Broadband Photoresponse Enhancement by Band Engineering in Sb-Doped MnBi2Te4”。复旦大学博士研究生许子轩、陈昊楠和王嘉宇为论文的共同第一作者，复旦大学张成研究员为论文的通讯作者。
图1. 锰铋锑碲光电器件的扫描光电流探测示意图和不同掺杂比例的红外光电流响应对比
研究团队采用经过优化的化学气相传输法生长出不同Sb掺杂比例的高质量Mn(Bi1-xSbx)2Te4材料，通过机械剥离和微纳加工制备了不同掺杂比例的零偏压光电探测器件。通过扫描光电流显微成像发现，Sb掺杂比例为18%的光电器件在所有掺杂比例中具有最高的光电流响应率，在1550nm和4μm波段分别有3.02mA/W和0.795mA/W的光电流响应率，相较于未掺杂材料提升近百倍。这与基于相应的霍尔器件的磁输运结果互相印证，光电相应最优的掺杂比例的费米能级位于带隙内，这使得载流子浓度得到了有效降低，从而抑制了光生电子空穴对的复合过程，显著提高了光电流响应。同时，深入的光电流扫描显微分析也揭示了光电流产生的双机制协同作用原理，在金属电极界面处，光伏效应主导的高效载流子分离；而在材料内部，光热电效应贡献的广域响应，二者共同支撑了从可见光到中红外的宽谱探测能力。
图2. 基于拓扑材料的室温自供电的光电探测器从可见光至中红外的光电流响应度对比
研究团队为增强拓扑材料的红外光电响应提出了基于能带工程的掺杂新策略，通过元素掺杂抑制了光生载流子的复合，为高灵敏度红外探测开辟了新思路。研究工作得到了国家重点研究计划、国家自然科学基金重大研究计划培育项目和面上项目以及上海市曙光学者的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.4c02182