天津大學構(gòu)建新型紅外-太赫茲寬譜探測器

紅外及太赫茲波包含大量的信息，能在醫(yī)學、農(nóng)學以及環(huán)境監(jiān)測中得到有效的利用。紅外至太赫茲探測器還可用于檢測半導體芯片的微小變化，以用于提高其功能性能。此外，它可以被用于檢測空氣中的污染物，研究大氣環(huán)境等多應用場景。

目前，中國尚未擁有商用室溫紅外-太赫茲寬譜探測器，國外產(chǎn)品也存在工作溫度低、易受熱源干擾、不便于攜帶、靈敏度低等問題，無法滿足相關(guān)的應用需求。

由于紅外-太赫茲波段光子能量較低，無法通過電子激發(fā)的方式實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，且環(huán)境的背景噪聲容易對檢測過程產(chǎn)生影響。因此，傳統(tǒng)的太赫茲探測器需要在低溫環(huán)境下工作，以便降低探測器的信噪比。這導致探測器存在結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大、制造成本高等缺點，限制了其自身的廣泛應用及集成化。

多年來，天津大學副教授張雅婷團隊一直致力于采用新材料與新機理相結(jié)合的方式，來研究室溫運轉(zhuǎn)的高靈敏紅外-太赫茲探測器。

（來源：Advanced Functional Materials）

在近期一項工作中，課題組從全新視角審視了半導體中帶電粒子的光-熱-電過程，根據(jù)電子、空穴的熱-電過程，類比推演到另一類一直被忽略的帶電粒子——離子。

通過分析測輻射熱計光熱電流、以及追蹤離子遷移的動態(tài)過程，該團隊首次提出離子-測輻射熱效應；在微納尺度深入研究離子-測輻射熱效應的關(guān)鍵作用，并結(jié)合庫倫過程實現(xiàn)對于紅外及太赫茲波獨特的負電壓響應；并利用離子-測輻射熱效應，結(jié)合太赫茲埋底天線設(shè)計，構(gòu)建出一種新型紅外-太赫茲寬譜探測器，借此極大提高了太赫茲探測器的響應性能。

概括來說，該成果詳細研究了晶界的熱激活離子輸運如何產(chǎn)生顯著的光電壓響應，演示了離子測熱探測器對于近紅外和太赫茲波段的響應性。

張雅婷表示：“這項成果將仿真與實驗結(jié)果結(jié)合得比較好。仿真，為實驗提供了一定的理論指導和前瞻性；實驗結(jié)果，又為仿真的設(shè)計方向掌舵。我們的工作也是首次利用多物理場模型有機的耦合了材料學、光學、電學與熱學，這為后續(xù)的熱電探測器設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。此外，還可以在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)變式，這將節(jié)省直接實驗花費的人力物力，使探測器設(shè)計更加有的放矢?！?/p>

近日，相關(guān)論文以《晶界中的離子輻射熱效應使近紅外到太赫茲光探測的高光電壓響應成為可能》（Ion-Bolometric Effect in Grain Boundaries Enabled High Photovoltage Response for NIR to Terahertz Photodetection）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials 上，Mengyao Li 是第一作者，中科院院士&天津大學教授姚建銓以及張雅婷擔任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Functional Materials）

據(jù)介紹在之前的研究中，該團隊嘗試使用大面積的鈣鈦礦材料，構(gòu)建過寬譜紅外-太赫茲探測器。實驗中，他們發(fā)現(xiàn)晶粒小的薄膜表現(xiàn)出更好的光電響應，故對這一現(xiàn)象進行了假設(shè)猜想。其猜想，晶界中富集缺陷態(tài)會對熱載流子遷移的過程會產(chǎn)生一定的影響。

由于鈣鈦礦材料合成過程的特性和理化穩(wěn)定性，經(jīng)過多次討論之后課題組使用聚焦離子束（FIB，F(xiàn)ocused Ion beam）的方法，定向加工微納尺寸的鈣鈦礦器件。通過對加工過程的精準調(diào)控，可以控制器件中晶界的排列方向與占比。

結(jié)合光電檢測性能的對比，研究人員對上述假設(shè)進行驗證。但卻發(fā)現(xiàn)初步實驗結(jié)果和他們的設(shè)想并不一致：即器件的特征性能指標和其晶界濃度之間的相關(guān)性較低。因此僅從初步結(jié)果來看，晶界并不是器件性能的關(guān)鍵影響因素。

但是，該團隊并未放棄這個課題，而是決定直接追蹤納米尺度下的熱空穴過程。從兩種實驗結(jié)果的不一致性上他們發(fā)現(xiàn)，在整個器件的響應過程中，可能存在另一種之前一直被忽略的帶電粒子也就是離子的參與。

基于這一觀點，他們又進一步對熱極化后的器件進行表征，結(jié)果很好地印證了他們的猜想——在鈣鈦礦對紅外-太赫茲的光-熱-電響應過程中，晶界的離子參與了整個過程，并補充了光熱電流。同時，由于其在界面處的富集會產(chǎn)生內(nèi)建電場，即表現(xiàn)為光生電壓。

但在這時新的問題又出現(xiàn)了，由于器件面積較小，且材料本身對太赫茲波的吸收很弱，因此必須使用天線結(jié)構(gòu)聚焦太赫茲波實現(xiàn)響應探測。而鈣鈦礦的理化性質(zhì)，不允許進行光刻操作。

經(jīng)過多次討論之后，該團隊初步敲定了埋底天線設(shè)計，并經(jīng)過仿真模擬計算確定了如下規(guī)律：這種位于介質(zhì)下面的對數(shù)周期天線，也可以實現(xiàn)較高的增益系數(shù)，借此加工出的太赫茲探測器能表現(xiàn)出優(yōu)異的響應性能。

回顧研究全程，張雅婷表示：“相較于發(fā)表高水平的論文，我也希望為國家微納光電探測事業(yè)做出貢獻，同時我也關(guān)注對于年輕一代學生的培養(yǎng)，著重培養(yǎng)他們的獨立思考能力，在實踐與錯誤中摸索出一條屬于他們自己的科研道路。我常常告訴學生：沒有失敗的實驗經(jīng)歷，就不會有對科學的敬畏之心。每一份樣品在測試儀器下都蘊含著成功的希望，不要害怕實驗帶來的挫折。在保持理性分析的思考下，也需要‘適當?shù)母行浴嘈抛约旱难芯拷K會帶來成果，以及不要懷疑自己所具備的能量?！?/p>

審核編輯 ：李倩