近日，课题组在基于二维窄带隙半导体Ta2NiS5制作的光电探测器中观测到超线性光电流。相关成果以《Giant Superlinear Power Dependence of Photocurrent Based on Layered Ta2NiS5 Photodetector》为题在知名期刊《Advanced Science》（最新影响因子：17.5）于2023年4月28日在线发表。
光电探测器是信息器件领域的重要电子元件，探测器的光电转换效率往往随光功率升高而下降，从而制约了器件在高功率下的探测效率提升。即使对于比较理想的探测器件，光电信号也很难突破对光功率的线性响应。
在该研究中，研究团队在基于二维层状材料Ta2NiS5制备的光电器件中，发现了超线性光电响应，报道了突破记录的超线性二维光电导系数。对于窄禁带的Ta2NiS5二维半导体，红外光谱的特征吸收证明了带隙内复合中心的存在，这些能态担任了光生载流子的重构中心并显著的影响了光电流随功率的变化。当光强较小时，重构中心中的空态较多，以较大的概率捕获光生载流子，从而抑制了光电转换效率；随着光强增加，特殊的重构中心构型导致其逐渐被填满，对光生载流子的捕获概率大大下降，从而导致了光电流的超线性增长。研究团队基于该器件进一步实现了超线性对比度成像。
实验上，研究团队对Ta2NiS5晶体和对应光电器件进行了一系列表征测量和光电探测。对晶体进行了X射线衍射、偏振拉曼光谱、电输运、红外光谱等表征，并对缺陷导致的重构中心进行了DFT计算和红外吸收探测。通过自制的光刻系统和一系列后续微纳工艺流程，研究团队基于薄层Ta2NiS5晶体制备了微纳光电器件，并进一步对其进行响应时间、偏振响应、空间响应、可重复性和变功率偏压测量。光电导-光功率曲线的分析中，发现在200 μW/μm2以上的光强范围，光电流出现了明显的超线性增长，拟合得到的增长指数为1.5。显微傅里叶红外透射光谱验证了光学能隙大小和能隙内重构中心的存在。为了展现超线性光电器件的应用效果，研究团队利用探测器实现焦平面成像应用，可以看到随着光功率的升高，拍摄照片的对比度的提高趋势呈超线性。
该课题由华东师范大学袁翔课题组、段纯刚团队、褚君浩院士团队，复旦大学张成课题组，印度科学理工学院Awadhesh Narayan课题组合作完成。工作获得国家自然科学基金、上海市科委与华东师范大学启动经费和科技项目的支持与资助。相关实验获得华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室、极化材料与器件教育部重点实验室、物质表征中心等平台支持。论文以华东师范大学为第一单位，袁翔为本文通讯作者，华东师范大学2020级硕士生孟祥浩、2021级硕士生杜宇涵和2022级博士生吴闻彬为共同第一作者。