现有光电探测器采用的硅半导体光响应度较低，二维半导体MoS₂(二硫化钼)厚度过薄，难以通过掺杂工艺控制其电学性质，限制了高性能光电探测器的实现。

韩国科学技术研究院(KAIST)的一个研究团队克服了这一技术限制，开发出了世界上性能最高的自供电光电探测器，该探测器在有光源的环境中无需电力即可运行。这为可穿戴设备、生物信号监测、物联网设备、自动驾驶汽车和机器人等在有光源的情况下实现无电池精确传感奠定了基础。

电气工程学院李嘉永教授的研究团队研发出了一种自供电光电探测器，其灵敏度比现有产品高出20倍，达到了迄今为止同类技术中的最高性能水平。该成果发表在《先进功能材料》期刊上。

该团队通过引入“范德华底电极”，使得半导体无需掺杂就能对电信号极其敏感，制作出了一种PN结结构光电探测器，即使在没有电能供应的情况下，也能在有光的环境下自行产生电信号。

PN结是由半导体中的p型(富空穴)和n型(富电子)材料连接而成的结构。这种结构在光照下会使电流单向流动，使其成为光电探测器和太阳能电池的关键元件。

通常，要创建合适的 PN 结，需要一个称为掺杂的过程，即故意将杂质引入半导体以改变其电特性。然而，像 MoS₂ 这样的二维半导体只有几个原子厚，因此采用传统方式掺杂可能会损坏结构或降低性能，从而难以创建理想的 PN 结。

为了克服这些限制并最大限度地提高器件性能，研究团队设计了一种新的器件结构，结合了两项关键技术：范德华电极和部分栅极。

部分栅极结构仅将电信号施加到二维半导体的一部分，控制一侧表现为p 型，另一侧表现为n 型。这使得该器件无需掺杂就能像 PN 结一样发挥电气功能。

此外，考虑到传统金属电极会与半导体发生强烈的化学键合，从而破坏其晶格结构，范德华底部电极采用范德华力轻轻附着的方式，既保留了二维半导体的原始结构，又确保了有效的电信号传输。

这种方法既保证了结构稳定性，又保证了电气性能，可以在薄二维半导体中实现 PN 结，而不会损坏其结构。

凭借这项创新，团队成功实现了无需掺杂的高性能PN结。该器件即使在没有外部电源的情况下，只要有光，也能以极高的灵敏度产生电信号。其光检测灵敏度(响应度)超过21 A/W，比传统供电传感器高出20倍以上，比硅基自供电传感器高出10倍，比现有的MoS₂传感器高出两倍以上。如此高的灵敏度意味着它可以立即应用于能够检测生物信号或在黑暗环境下工作的高精度传感器。

Kayoung Lee 教授表示，他们“实现了硅传感器难以想象的灵敏度水平，尽管二维半导体对于传统的掺杂工艺来说太薄，但他们成功地实现了无需掺杂即可控制电流的 PN 结”。

李教授补充道：“这项技术不仅可用于传感器，还可用于控制智能手机和电子设备内部电力的关键部件，为下一代电子产品的小型化和自供电奠定基础。”

更多信息： Jaeha Hwang 等人，《双极性 MoS2 中的门控 PN 结用于实现卓越的自供电光电检测》，《先进功能材料》(2025 年)。期刊信息： 先进功能材料