二维材料中的新量子态对凝聚态物理和现代光电器件的发展具有重要意义。然而具有宽带、室温和快速响应能力的太赫兹光电探测技术，由于缺乏暗电流和光吸收之间的最佳平衡，仍然面临着巨大的挑战。在这项研究中，作者合成了新型拓扑绝缘体材料GeBi₄Te₇，并搭建了其与Bi₂Te₃的范德华异质结，以实现高灵敏度的太赫兹光电探测器。在平面金属-材料-金属结构中实现了在室温下将低光子能量太赫兹波段直接转化为光电流。结果表明，基于Bi₂Te₃-GeBi₄Te₇的太赫兹光电探测器能够实现0.02 ~0.54 THz的宽谱探测，且具有很高的光响应率（在 0.112、0.27、0.5 THz下分别为 592 V?W^-1、203 V?W^-1、40 V?W^-1），响应时间小于6 μs。值得注意的是，它被用于高频太赫兹的成像应用演示。这些结果为Bi₂Te₃-GeBi₄Te₇拓扑绝缘体异质结材料的低能量光电应用开辟了可行性途径。

人工微结构超表面近年来在偏振调控与色散调控领域都取得了诸多进展，然而传统方法计算超表面结构对椭圆偏振态的调控效果需要对每一个数据求解方程，因此实现任意偏振的消色差调控依然在复杂度上是一个挑战。一种基于坐标变换的正向计算方法用以快速计算超表面单元对任意偏振态的调控效果被提出，利用纯硅体系下的椭圆柱结构作为调控单元设计了工作在中红外波段的对椭圆偏振态调控的消色差聚焦超表面透镜。结果表明，此种方法与设计在极大简化计算流程的情况下，能够有效实现对椭圆偏振态的操控。相比于之前所报道的基于圆偏振或无偏振依赖的设计，该方法进一步拓展了超表面色散调控的应用范围，具有广阔的应用前景。

石墨烯具有缺陷密度低、易大面积转移，载流子迁移率高等优异特性，但石墨烯具有的零带隙能带结构导致光生载流子寿命不高，制约了其在高灵敏光电探测器的应用。本工作中利用铁电材料CuInP₂S₆（CIPS）做顶栅来调控石墨烯的光电特性，探索了提升石墨烯太赫兹探测器灵敏度的可能性，研究了基于铁电调控下的石墨烯光热电效应和等离子体波自混频效应的探测机理，得到了高性能的石墨烯太赫兹探测器。在40 mV的偏置电压和2.12 V的栅压下，该器件在0.12 THz波段辐射下达到了0.5 A/W的响应率，响应时间为1.67 μs，噪声等效功率为0.81 nW/Hz^1/2。在0.29 THz波段辐射下仍达到了0.12 A/W的响应率，且噪声等效功率为1.78 nW/Hz^1/2。该工作展示了二维铁电异质结构在太赫兹波段中的巨大应用前景。

长波红外偏振探测器能够大幅提升对热成像目标的识别能力。受制于衍射极限的物理限制，目前的微线栅偏振片型长波红外偏振探测器的偏振消光比基本上只能做到最高10∶1左右。文中采用金属/介质/金属的等离激元微腔结构，将量子阱红外探测激活层相嵌在微腔之中。由于上、下金属之间的近场耦合形成了在双层金属区域的横向法布里-珀罗共振模式，构成等离激元微腔。文中利用微腔的模式选择特性及其与量子阱子带间跃迁的共振耦合，将量子阱子带跃迁不能直接吸收的垂直入射光耦合进入等离激元微腔并转变为横向传播，从而能够被量子阱子带吸收，实现了在长波红外13.5 μm探测波长附近偏振消光比大于100∶1的结果。相关工作为发展我国高消光比长波红外偏振成像焦平面提供了全新的物理基础和技术路径。

超构透镜是由亚波长散射单元结构排列而成的具有聚焦功能的平面二维超构表面。超构表面能够在亚波长尺度上操控光场的振幅、相位、色散和偏振态，是近年来迅速发展起来的新型光场调控载体。亚波长共振纳米结构使得高阶衍射被抑制，入射光场可以完美地被调制到设计的衍射级次上，从而确保了超构表面器件具有高的光子调控效率。同时，超构单元在设计上的灵活性及其特定的电磁响应使得超构表面可以实现对光场多个维度的定制化操控。不同于传统光学透镜依赖光传播的相位累积效应，宽带消色差超构透镜通过对光场相位和相位色散的同时独立调控解决了传统通过级联多个透镜修正色差造成的光学系统复杂和体积庞大限制，为发展小型化片上集成光学提供了全新的思路。文中围绕超构透镜的相关研究，首先介绍了超构表面调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理，在此基础上，重点回顾了近年来关于超透镜的研究发展，包括通过单一参量调控的单波长超透镜的实现，以及通过对光场偏振、相位及相位色散的多参量联合调控的多功能宽带消色差超构透镜的发展现状，最后讨论其进一步发展的可能挑战与应用前景。

自石墨烯时代以来，具有独特物理、化学和光电特性的二维层状材料(Two-Dimensional Layered Materials，2DLMs)得到了国内外科研人员的广泛关注。2DLMs因其种类的多样化与带隙的层数依赖性，光谱响应范围覆盖了紫外到红外辐射的极宽波段，具有应用于新一代光电探测器件的潜力。此外，2DLMs不受晶格匹配的限制，能以范德瓦尔斯力(Van der Waals，vdWs)与其他维度材料如体材料、纳米线和量子点等结合，制备得到性能独特且优异的复合结构器件。文中概述了几种应用在光电探测器领域的新型2DLMs异质结光电探测器的研究进展，主要包括基于二硒化钨(WSe₂)、黑砷磷(AsP)、三硫化铌(NbS₃)、二硒化钯(PbSe₂)等异质结光电探测器，这些异质结光电探测器在异质结器件结构设计与新型二维半导体工艺技术应用方面做出了创新，在器件增益、结整流比、响应速度与波长探测范围等多个重要器件性能方面获得了突破性的研究成果。同时，文中还简要分析了这类器件研究当前所面临的挑战，并对其未来的发展方向进行了展望。

红外探测在生物医疗、智慧城市、宇宙探索等前沿领域中有着重要的作用。近年来，以二维材料为代表的新型纳尺度半导体并以此形成的具有颠覆性意义的光电探测技术在探测灵敏度、极低暗电流、高工作温度等指标超越了传统薄膜器件的理论极限，是新一代红外光电探测技术有力竞争者之一。文中以局域场调控实现室温高性能光电探测为出发点，介绍了铁电局域场、层间内建电场、面内内建电场调控二维材料光电探测机理与器件实现方法；进一步，针对二维材料其尺寸效应引起的光利用率低或量子效率低的问题，提出了单边异质结和表面等离子激元增强结构的光电性能增强方法；最后列举了二维半导体材料在红外探测器领域的应用探索，展现了新型二维半导体红外探测器的应用潜力与前景，为新一代红外探测器技术提供了新方法和新思路。

金属-二维材料-金属是最常见的二维材料光探测器件的结构。由于结构简单、易于集成，该类器件受到最广泛的关注和研究。其自驱动光探测的模式具有很低的暗电流，有望成为高性能红外探测的新途径。然而金属-二维材料-金属的自驱动光探测存在两个瓶颈问题：（1）反对称的金属-二维材料结区引起的泛光照射下光响应的抵消；（2）二维材料有限光吸收导致的低响应率。文中介绍了利用等离激元纳米结构的非对称集成引入非对称的光耦合，从而打破泛光照射下二维材料与两端电极接触区域产生的光电流的对称性，实现净的自驱动光响应；同时利用等离激元纳米结构产生的局域强光场提高二维材料光吸收率和光响应率的一系列研究进展。在石墨烯等离激元纳米谐振腔复合结构中，实现两个电极附近的光响应对比度超过100倍，突破了对称光耦合导致的光响应抵消的难题。由于具有将入射光耦合成局域模式的优越能力，等离激元纳米谐振腔比亚波长金属光栅更有效地提高石墨烯响应率一个数量级以上。