2025年9月5日，南京大學(xué)王欣然教授課題組聯(lián)合南京郵電大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》發(fā)表題為 “Efficient energy transfer in a hybrid organic-inorganic van der Waals heterostructure” 的研究論文。該研究揭示，在二維有機(jī)/無機(jī)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中通過高效共振能量轉(zhuǎn)移，可實(shí)現(xiàn)二維半導(dǎo)體熒光強(qiáng)度超過百倍的增強(qiáng)，同時(shí)使光電探測(cè)器的響應(yīng)度提升近三個(gè)數(shù)量級(jí)，并保持超快響應(yīng)特性。這一成果為突破原子層材料的吸光極限和發(fā)展高速光電子器件提供了新思路。

近年來，二維半導(dǎo)體材料（如過渡金屬硫族化合物）因其獨(dú)特的光電性質(zhì)和可調(diào)的電子結(jié)構(gòu)受到廣泛重視，但其原子級(jí)厚度導(dǎo)致的本征光吸收率低，嚴(yán)重限制了實(shí)際應(yīng)用。傳統(tǒng)的光吸收增強(qiáng)方法往往以犧牲響應(yīng)速度為代價(jià)。在此背景下，能量轉(zhuǎn)移（ET）作為一種通過激子形式實(shí)現(xiàn)的非輻射能量傳遞機(jī)制，理論上可在不引起電荷轉(zhuǎn)移的前提下有效增強(qiáng)光吸收。然而，該過程常與超快電荷轉(zhuǎn)移相互競(jìng)爭(zhēng)，并且嚴(yán)格依賴于材料間的能級(jí)匹配和波函數(shù)重疊，因此在二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)純凈、高效的ET仍存在顯著挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一難題，王欣然教授團(tuán)隊(duì)基于此前發(fā)現(xiàn)的超強(qiáng)光響應(yīng)Me-PTCDI單層有機(jī)分子晶體（Nat Commun 10, 5589 (2019)），成功構(gòu)建了以Me-PTCDI為供體、WS?為受體的新型二維有機(jī)/無機(jī)雜化異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)充分利用有機(jī)分子在分子水平上的化學(xué)可調(diào)性與局域Frenkel激子所具有的強(qiáng)振子強(qiáng)度和高熒光量子產(chǎn)率等優(yōu)勢(shì)，通過精確匹配供體Frenkel激子與WS?的2s暗激子能級(jí)，借助Dexter電子交換機(jī)制實(shí)現(xiàn)了高效共振能量轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（圖1），異質(zhì)結(jié)中WS?的光致發(fā)光強(qiáng)度最高增強(qiáng)達(dá)到124倍，且具有偏振特性，創(chuàng)下了同類報(bào)道的最高記錄。理論計(jì)算進(jìn)一步表明，得益于減小的層間距和受體2s激子態(tài)的空間離域特性，其ET速率較傳統(tǒng)無機(jī)異質(zhì)結(jié)構(gòu)提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1 二維有機(jī)/無機(jī)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)與光學(xué)表征

研究團(tuán)隊(duì)將這一高效能量轉(zhuǎn)移機(jī)制成功應(yīng)用于光電晶體管器件中，在保持納秒級(jí)超快響應(yīng)速度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光響應(yīng)度近三個(gè)數(shù)量級(jí)的跨越式提升（圖2）。這一進(jìn)展解決了傳統(tǒng)電荷轉(zhuǎn)移器件中響應(yīng)度與響應(yīng)速度相互制約的核心難題。該工作在拓展二維材料界面能量轉(zhuǎn)移理解的同時(shí)提出了新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，為超快、高靈敏度光電探測(cè)器的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)新一代光電子器件的突破具有重要意義。

圖2 二維有機(jī)/無機(jī)異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)與性能

南京大學(xué)王欣然教授、南京郵電大學(xué)高麗教授和西北工業(yè)大學(xué)甘雪濤教授為共同通訊作者，南京大學(xué)/西北工業(yè)大學(xué)陳小青博士和南京郵電大學(xué)趙慧娟博士為論文共同第一作者。上述研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)、南京郵電大學(xué)有機(jī)電子與信息顯示國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、南京郵電大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動(dòng)基金等資助。