將傳感、成像與通信功能從可見光（VIS）無縫集成到太赫茲（THz）波段，是下一代光電子技術的關鍵目標。傳統光電探測器面臨固有局限：光子型探測器（如InGaAs、HgCdTe）受限于材料帶隙，往往需要低溫冷卻；熱型探測器（如VO_x）雖可在室溫工作，但其響應速度與噪聲等效功率（NEP）受限。因此，迫切需要一種能在單一器件中實現室溫、高性能、覆蓋VIS至THz全譜段探測的新材料平臺。低維材料，特別是二維（2D）材料，因其寬譜吸收、可調帶隙及易于集成等優勢，為構建超寬帶光電探測器提供了可能。然而，單一2D半導體（如過渡金屬硫族化物TMDs、黑磷BP、石墨烯）難以同時兼顧短波光導與長波光熱電機制。范德華（vdW）異質結通過弱范德華力堆疊不同材料，無需晶格匹配，為整合互補的光電特性、定制多波段響應機制提供了理想平臺。

本研究設計并制備了一種準一維Ta₂NiSe₅與二維Sb₂Te₃構成的vdW異質結。Ta₂NiSe₅具有窄體帶隙（0.33 eV）和高載流子遷移率（> 556.5 cm²·V^?1·s^?1），而Sb₂Te₃則具有強塞貝克系數（≈ 164 μV·K^?1）和固有的THz吸收能力。通過機械剝離與干法轉移技術將兩者堆疊在SiO₂/p⁺Si襯底上，形成重疊區域約8.6 μm的異質結。原子力顯微鏡（AFM）與拉曼光譜表征證實了高質量異質結的成功構建，拉曼峰在重疊區的減弱表明存在強烈的層間耦合。

開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測量顯示，異質結界面的接觸電勢差為115 meV，這源于Ta₂NiSe₅（功函數4.967 eV）與Sb₂Te₃（功函數5.082 eV）的功函數差異，形成了內置電場。結合第一性原理計算（DFT）構建的能帶結構表明，該異質結呈現交錯的Type-II能帶排列：Ta_{2NiSe5的導帶底（CBM）與Sb2Te3的價帶頂（VBM）對齊。這種能帶結構在熱平衡后產生能帶彎曲，有利于光生載流子的空間分離：電子被限制在Ta2NiSe5側，空穴被限制在Sb2Te3側，從而高效抑制復合。}

掃描光電流顯微鏡（SPCM）進一步揭示了偏壓依賴的載流子傳輸機制。零偏壓下，光響應局限于界面區域，由內置電場驅動的光伏效應主導。施加正向偏壓會抵消內置電勢，導致光電流極性反轉，機制轉變為外場調制的輸運。而反向偏壓則與內置電場協同作用，顯著增強光響應，通過擴大耗盡區和提高電場強度來加速載流子漂移，減少復合損失。

在可見光至近紅外（VIS–NIR）波段，系統評估了器件的響應性能。光電流（I_ph）與入射光功率（P）呈線性關系（I_ph∝ P^α，α≈1），表明器件具有寬線性動態范圍（LDR），適用于定量探測。在0.1 V偏壓下，器件在638 nm、940 nm、1064 nm和1550 nm波長下的響應率（R_A）分別為0.11 A·W^?1、0.19 A·W^?1、0.064 A·W^?1和0.0045 A·W^?1，其中940 nm處為峰值響應。對應的比探測率（D^*）在940 nm處達到1.33 × 10⁸Jones。器件的上升/下降時間分別為~11.8 ms和~5.9 ms（受限于測試系統帶寬）。噪聲分析顯示，在>1000 Hz的高頻區以白噪聲（約翰遜噪聲和散粒噪聲）為主，而在<1000 Hz的低頻區存在1/f噪聲。在0.1 V偏壓下，從638 nm到1550 nm的噪聲等效功率（NEP）在0.67 nW·Hz^?1/2到16.5 nW·Hz^?1/2之間輕微波動。長時間的開關循環測試（持續180秒）證實了器件具有優異的光響應重復性和穩定性。

對于光子能量極低（~meV）的太赫茲（THz）波段，傳統的光電探測機制失效。本研究通過在異質結上集成溝道長度為500 nm的蝶形天線，將THz輻射高效耦合并局域化為振蕩電場。其探測機制主要基于光熱電效應（PTE）：天線耦合的THz輻射引起載流子的焦耳加熱，在異質結界面上產生局域溫度梯度（ΔT）；由于Ta₂NiSe₅和Sb₂Te₃的塞貝克系數存在顯著差異（分別為50 μV·K^?1和164 μV·K^?1），溫度梯度與塞貝克系數梯度的共同作用產生了凈光電壓（V_PTE∝ ∫?S(x) ΔT(x)dx），從而實現了零偏壓的THz探測。

在0.1 THz頻率下，器件在零偏壓時表現出顯著的光電流響應，證實了天線與THz輻射的共振耦合。測得上升/下降時間分別為4.38 μs和8.75 μs，這得益于Sb₂Te₃的高熱導率和Ta₂NiSe₅的有效散熱，實現了快速熱平衡。器件的3 dB帶寬達到10 kHz。在零偏壓下，峰值響應率（R_A）達到29.1 mA·W^?1，最低噪聲等效功率（NEP）低至約26.1 pW·Hz^?1/2。該性能得益于零偏壓下散粒噪聲被強烈抑制，熱噪聲成為主要貢獻。

將本工作器件（Ta₂NiSe₅/Sb₂Te₃）與已報道的其他基于2D材料的超寬帶光電探測器進行性能對比，其獨特優勢在于：在單一平臺上同時覆蓋VIS–NIR與THz波段，并在室溫下實現快速響應和低NEP。

利用器件對638 nm可見光和0.1 THz太赫茲光的寬帶響應，以及兩種光致光電流的互補極性，研究者演示了可重構的光電邏輯門和雙通道ASCII加密通信。通過調節源漏電壓（V_ds）可以切換邏輯功能：在V_ds= ?0.05 V時，器件作為“與”（AND）門，僅當兩個光通道同時輸入時，輸出光電流才超過閾值（定義為邏輯“1”）；在V_ds= ?0.1 V時，器件作為“或”（OR）門，任一通道或雙通道輸入均可輸出邏輯“1”。這種電調諧的程序性為實現靈活的邏輯運算提供了可能。

進一步地，研究者利用638 nm和0.1 THz兩個獨立光源作為發射器，以Ta₂NiSe₅/Sb₂Te₃探測器作為接收單元，演示了雙通道ASCII信息傳輸。例如，可以同時發送并解碼出“UCAS”信息。更重要的是，演示了一種加密通信方案：將638 nm光發射的“HIAS”信息作為密鑰，可以從638 nm與0.1 THz光的疊加信號中，解碼出0.1 THz光發射的真實信息“WGXY”，從而有效去除干擾，恢復原始信息。這為低成本、集成化的抗干擾加密通信系統提供了潛在解決方案。

總而言之，本研究成功展示了Ta₂NiSe₅/Sb₂Te₃范德華異質結在室溫下實現從VIS到THz的超寬帶高性能光電探測。其核心在于利用Type-II能帶排列產生的內置電場，協同整合了短波（VIS–NIR）的光導效應與長波（THz）的光熱電效應（PTE）。該器件在940 nm處響應率達188 mA·W^?1，在0.1 THz處響應率達29 mA·W^?1，最低NEP為26 pW·Hz^?1/2，并具有微秒級的THz響應速度。超越探測功能，研究還實現了可重構光電邏輯門和雙通道ASCII傳輸，凸顯了其在安全、抗干擾通信領域的應用潛力。這些成果確立了Ta₂NiSe₅/Sb₂Te₃平臺作為實現集成化、室溫寬帶光電子器件的可擴展路徑，為實時成像、高容量通信及多功能光電子系統開辟了新機遇。

樣品與器件制備：通過機械剝離法從塊體晶體獲得Ta₂NiSe₅和Sb₂Te₃納米片，并使用干法轉移技術將其堆疊。通過光刻和真空蒸鍍（Cr/Au = 5 nm/50 nm）制備金屬電極。

材料表征：使用原子力顯微鏡（AFM）測量厚度，使用532 nm激光的顯微拉曼系統獲取拉曼光譜。

能帶計算：采用維也納第一性原理模擬軟件包（VASP）進行第一性原理密度泛函理論（DFT）計算，使用投影綴加波（PAW）方法和PBE泛函。

電學與光響應測量：VIS–NIR波段使用Keithley源表進行基礎光電測試，通過鎖相放大器進行光電流映射掃描，并基于測量數據計算響應率（R_A）、比探測率（D^*）、外量子效率（EQE）和噪聲等效功率（NEP）等關鍵參數。THz波段使用微波驅動的倍頻鏈（VDI，覆蓋0.075–0.11 THz）和鎖相放大器進行測量，并計算了THz波段的響應率與NEP。