导读
南京大学超导电子学研究所涂学凑教授级高工团队成功开发了一种基于二维（2D）青铜相二氧化钒（VO2(B)）的太赫兹（THz）热探测器。该器件利用热电阻效应，通过抑制金属-绝缘体相变（MIT）实现无迟滞、高线性温度响应，在室温下表现出优异性能。实验结果显示，2D VO2(B) 薄膜电导率为 4.24 × 10-3 Ω·cm，温度电阻系数（TCR）约 -4.0% / K。基于此材料的 THz 微辐射热计噪声等效功率（NEP）低至 722 pW / √Hz，响应时间约 109 μs，显著优于大多数非制冷太赫兹热敏器件。研究团队采用氢辅助化学气相沉积（CVD）方法合成单晶2D VO2(B) 薄膜，并通过标准微纳加工工艺实现器件集成，验证了其在高灵敏度 THz 探测中的潜力。这种紧凑、非制冷设计为红外和太赫兹热探测提供了高效解决方案，特别适用于热成像、光谱传感和无线通信等领域。论文以“Sensitive THz Detection by Using Thermoresistive Effect in 2D Vanadium Dioxide”为题发表于国际期刊 ACS Nano，标志着二维过渡金属氧化物在高性能热探测领域的重大进展。
研究背景
过渡金属氧化物（TMOs）由于其丰富的相变特性和结构可调性，在温度敏感器件如辐射热计和热释电器件中得到广泛应用。其中，钒氧化物（VOx）已成为非制冷热探测器的主流平台，因其高温度电阻系数（TCR）和成熟的制备工艺。然而，传统 VO2 薄膜常受金属-绝缘体相变（MIT）引起的电学迟滞和非线性电阻行为影响，显著限制了其在高精度热传感中的性能，尤其在红外和太赫兹（THz）波段。
近年来，材料维度工程成为提升热探测灵敏度和响应线性度的关键策略。通过构建原子级薄、高结晶度 VO2 膜，可抑制 MIT 诱发的迟滞和噪声。在理论上，将 VO2 厚度减薄至纳米尺度可通过抑制钒-钒二聚化过程消除或弱化 MIT，从而提升 TCR 并改善线性热电阻响应。然而，稳定性、结晶度和合成挑战阻碍了进展，迄今尚未有利用单晶2D VO2 独特热电阻效应的 THz 探测报道。本研究提出基于单晶2D VO2(B) 膜的无制冷太赫兹热探测器方案，利用相变抑制实现高灵敏度、低噪声和快速响应。该设计不仅解决了传统材料的非线性问题，还为下一代非制冷热探测器提供了实用路径，尤其在 THz 传感应用中。
核心设计、原理与结果分析
图1. 原子级薄单晶热电阻材料 VO2(B)。(A) 沿 b 轴的 B 相 VO2 原子结构，虚线框表示一个晶胞，蓝色 V1 和黄色 V2 表示两种钒原子。黄色圆圈突出 V2-V2 二聚体。“uc” 表示出平面方向的一个晶胞，包含两个 VO6 八面体。(B) 典型 VO2(B) 薄片在云母衬底上的光学图像，比例尺 10 μm。(C) 相同薄片的对比增强光学图像，比例尺 10 μm。(D) B 中黑框区域的原子力显微镜（AFM）图像，比例尺 5 μm。(E) D 中蓝线沿线的 AFM 形貌剖面，与 C 中标记位置对应。(F) 厚度为 3.4 nm 和 20.0 nm 的典型 VO2 薄片室温拉曼光谱。
本研究设计了一种基于2D单晶 VO2(B) 膜的 THz 热探测器（图5）。VO2(B) 采用单斜结构，每个晶胞包含八个扭曲的 VO6 八面体，钒原子分为 V1（蓝色）和 V2（黄色）两种位点，形成层状结构。团队通过氢辅助 CVD 方法合成厚度从单晶胞到数十纳米的单晶薄片。光学图像（图1B,C）显示薄片均匀着色和清晰几何形状，表明原子平坦性和单晶质量。AFM 图像（图1D,E）确认表面粗糙度亚纳米级，台阶高度约 0.89 nm，对应1 uc 厚度。
图2. 自由悬浮 VO2(B) 薄片的结构和成分表征。(A) 转移到多孔碳 TEM 栅上的自由悬浮 VO2(B) 薄片的低放大率平面视图 STEM 图像。(B) TEM-EDS 元素映射确认 A 中选区（B 左上红框放大区）的钒（V）和氧（O）均匀分布，比例尺 500 nm。(C) 2 uc 厚 VO2(B) 的高分辨率 TEM 图像。插图：沿 c 轴取向的相应 VO2(B) 薄片的电子衍射图案，比例尺 5 nm-1。(D) 多 uc 厚 VO2(B) 的高分辨率 TEM 图像。插图：沿 c 轴取向的相应 VO2(B) 薄片的电子衍射图案，比例尺 5 nm-1。
透射电子显微镜（TEM）分析（图2）显示薄片均匀分布钒和氧，原子比接近1:2。高分辨率 TEM（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）确认单晶性质，(001) 晶面暴露，晶格间距 0.356 nm 和 0.534 nm 对应 (010) 和 (200) 面。这些结果验证了纯相 VO2(B) 薄片的成功合成和结构完整性。
图3. VO2(B) 中的结构相变和厚度依赖的钒二聚化。(A) 5 nm 厚 VO2(B) 单晶在 150 - 300 K 温度下的拉曼光谱。(B) 30 nm 厚 VO2(B) 单晶在 150 - 300 K 温度下的拉曼光谱。(C) B 中 261 cm-1 峰的温度依赖强度变化（红数据，左轴）和高温相归一化比例（蓝数据，右轴）。所有拉曼光谱在 (A,B) 中采用线性极化（XY 模式）激发。
温度依赖拉曼光谱（图3）揭示相变抑制：5 nm 样品无显著谱变化，仅峰强度增加；30 nm 样品在 220 K 附近出现新峰，表明结构相变和钒二聚化。低波数振动模式特征钒二聚，薄膜中被表面诱导抑制。该抑制可能源于表面能、界面电荷再分布和缺陷影响，导致无新拉曼模式出现。
图4. VO2(B) 中的厚度依赖金属-绝缘体相变。(A) VO2(B) 在 220 K 和 300 K 的 I-V 曲线，插图为相应器件光学图像，比例尺 10 μm。(B) 2D VO2(B) 的温度依赖归一化电阻（R / R0），R0 为 300 K 电阻（2 nm：25.2 kΩ；28 nm：2.1 kΩ）。(C) 2 nm 和 28 nm 样品的温度依赖 TCR，插图：2D VO2 近室温加热-冷却循环的典型温度依赖电阻曲线，红线为线性拟合（R2 = 0.997）。(D) 2D VO2(B) 与其他热电阻材料（金属、VOx、非晶硅（a-Si）、过渡金属硫化物（TMDs）和碳纳米管（CNT））的优值比较（TCR vs 电导率）。
电学测量（图4）显示薄样品无 MIT，电阻平滑变化；厚样品有迟滞和跳变。2 nm 膜 TCR 近室温恒定为 -4.0% / K，电阻-温度线性（R2 = 0.997）。电导率优于传统材料，TCR 高于金属2个数量级、VOx 2倍。密度泛函理论（DFT）和传输分析确认强电子相关主导。
关键制备工艺为实现2D VO2(B) 与 THz 器件的兼容制造，团队开发了基于氢辅助 CVD 的晶圆级方法。
图1和图2中的合成示意图。
工艺在 CVD 装置中进行：衬底置于高温区（560 °C），前驱体 VCl3 在低温区（270 °C）。通入 Ar 和 Ar/H2 氛围加热，反应 2 VCl3 (s) ⇔ VCl4 (g) + VCl2 (s)，低浓度氧与 VCl4 反应生成 VO2(B)。厚度从单 uc 到纳米可控，支持大面积薄膜（支持信息图 S1）。
器件通过电子束光刻和蒸发沉积 Ti/Au 电极制备。悬浮微桥结构采用反应离子刻蚀（RIE），在通道两侧开孔暴露 Si/SiO2，利用 SF6/Ar 气体（40/100 sccm，100 W，30 min）形成空气桥。该工艺兼容标准微纳加工，避免复杂系统，提高集成度。
器件表征与性能验证
图5. 2D 单晶 VO2(B) 微辐射热计。(A) 结构示意图和 2D 单晶 VO2(B) 微辐射热计的光学图像。(B) 归一化器件响应率随入射 THz 频率变化。(C) 响应电压随偏置电流变化。(D) 响应幅度随调制频率变化。(E) 天线耦合空气桥 VO2(B) 微辐射热计的噪声谱。(F) 空气桥探测器的室温 I-V 曲线。(G) 室温低维材料 THz 热探测器的 NEP 和响应时间比较，以辐射热效应为主机制。
制造器件显示良好完整性。THz 响应测量使用 208 - 230 GHz 信号，偏置电流 105 μA，调制 1 kHz。响应电压随偏置电流增加饱和，光响应率 34.6 V / W。调制频率依赖显示 3 dB 滚降时间 109 μs。噪声谱（图5E）在低频 1/f 趋势，高于 4 kHz 恒定为 Johnson 噪声（21 nV / √Hz）。NEP 722 pW / √Hz，特定探测率 8.04 × 108 Jones。I-V 曲线非线性确认辐射热效应。与其他低维材料比较（图5G），2D VO2(B) 在灵敏度和速度上领先。
这些结果全面验证了器件的优异性能，确认了其在 THz 应用中的实用性。
总结与展望
本研究提出了一种通用方案，通过抑制 MIT 增强2D VO2(B) 的热电阻效应，实现高线性 TCR 和优异电导率。相变抑制提供了稳定、无迟滞的温度响应；单晶设计确保了低 NEP（722 pW / √Hz）和快速响应（109 μs）；CVD 工艺实现了可扩展合成。该工作不仅解决了传统 VOx 的非线性问题，还为太赫兹热探测提供了高效解决方案。
此平台可进一步扩展，用于构建高性能热敏阵列，如在热成像和光谱分析中的应用。未来，通过光学和热工程优化，可进一步降低 NEP 和提升速度，推动二维 TMOs 向大规模集成 THz 系统发展。
论文信息
Shengnan Yan#, Qiangqiang Wu#, Xiunan Yan#, Dongjing Lin, Fanqiang Chen, Qinghua Zhang, Chen Li, Mengxin Liu, Shuyu Zhou, Yudi Dai, Lizheng Wang, Bin Cheng, Tao Xu, Xiaoxiang Xi, Lin Gu, Peiheng Wu, Xuecou Tu*, Shi-Jun Liang*, and Feng Miao*, Sensitive THz Detection by Using Thermoresistive Effect in 2D Vanadium Dioxide, ACS Nano 20, 4068 (2026)
