綜述：基于人工微結(jié)構(gòu)的光譜選擇性紅外熱敏探測(cè)器

紅外熱敏探測(cè)器不管是在軍事還是在民用領(lǐng)域都有著非常重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的紅外熱敏探測(cè)器主要采用寬光譜吸收的方式，這雖然賦予了器件寬帶響應(yīng)的特點(diǎn)，但同時(shí)也會(huì)因?yàn)橐肓瞬槐匾妮椛錈釋?dǎo)而增加本底噪聲，從而限制了器件的探測(cè)性能極限。研究表明，具有窄帶選擇性吸收的熱敏探測(cè)器在特定的條件下可以突破這一極限。經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的人工微納結(jié)構(gòu)不但可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇性吸收來(lái)降低器件的輻射熱導(dǎo)，而且由于其具有亞波長(zhǎng)特性，還可以大大降低器件的熱容，從而為實(shí)現(xiàn)高性能的紅外熱敏探測(cè)器提供了可能性。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、復(fù)旦大學(xué)光電研究院和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“基于人工微結(jié)構(gòu)的光譜選擇性紅外熱敏探測(cè)器”為主題的文章。該文章第一作者為談沖，主要從事超構(gòu)表面增強(qiáng)吸收及光電器件集成方面的研究工作。

本文在簡(jiǎn)單介紹紅外探測(cè)器基本概念的基礎(chǔ)上，聚焦測(cè)輻射熱計(jì)、溫差電偶和熱釋電探測(cè)器件，回顧總結(jié)基于人工微結(jié)構(gòu)體系的光譜選擇性紅外熱敏探測(cè)器的相關(guān)研究進(jìn)展。

圖1 電磁波與紅外探測(cè)：（a）電磁波譜。（b）開(kāi)燈時(shí)所拍攝的作者的可見(jiàn)光照片（上圖）與紅外照片（下圖）。（c）關(guān)燈時(shí)下作者的可見(jiàn)光照片（上圖）和紅外照片（下圖）

紅外熱敏探測(cè)器

傳統(tǒng)的紅外熱敏探測(cè)器主要包括熱敏材料和與其直接接觸的吸收器兩個(gè)部分，通過(guò)吸收光產(chǎn)熱來(lái)進(jìn)行探測(cè)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。按照工作原理劃分，熱敏探測(cè)器主要可分為如下三種：溫差電偶、測(cè)輻射熱計(jì)和熱釋電探測(cè)器。這三種熱敏探測(cè)器使用的熱敏材料能夠?qū)囟茸兓D(zhuǎn)化為電信號(hào)，不直接依賴(lài)于入射的光子。因此，熱敏探測(cè)器響應(yīng)的光譜波段范圍在很大程度上取決于吸收器的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的吸收器設(shè)計(jì)，包括無(wú)序金、鋁、硅和碳膜等，主要是聚焦在實(shí)現(xiàn)從可見(jiàn)到長(zhǎng)波紅外的超寬帶吸收，從而實(shí)現(xiàn)了熱敏探測(cè)器的超寬帶響應(yīng)。

圖2 熱敏探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)

理想熱敏探測(cè)器的響應(yīng)率、噪聲與探測(cè)率

熱敏探測(cè)器件吸收光時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生溫度變化。溫度變化的第一項(xiàng)為瞬態(tài)項(xiàng)，會(huì)隨時(shí)間指數(shù)衰減。引入系數(shù)K = ΔV/ΔT來(lái)衡量熱敏材料在溫度變化時(shí)輸出電壓信號(hào)的能力。因此，熱敏探測(cè)器的電壓響應(yīng)率如下，其中熱時(shí)間常數(shù)τth = Cth /Gth：

除了響應(yīng)率外，熱敏探測(cè)器的性能還依賴(lài)于噪聲。理想熱敏探測(cè)器的噪聲主要來(lái)源是探測(cè)器與周?chē)h(huán)境發(fā)生隨機(jī)熱交換時(shí)的溫度擾動(dòng)產(chǎn)生的熱擾動(dòng)噪聲。熱導(dǎo)是熱敏探測(cè)器的關(guān)鍵參數(shù)，描述了探測(cè)器與環(huán)境熱交換的難易程度。相同溫度下熱敏探測(cè)器的熱導(dǎo)越低，其最小可探測(cè)功率越低，即噪聲越低。熱探測(cè)器與周?chē)h(huán)境熱交換的熱導(dǎo)包含三個(gè)部分，與空氣熱交換有關(guān)的熱導(dǎo)、與支撐結(jié)構(gòu)熱交換有關(guān)的熱導(dǎo)和器件的輻射熱導(dǎo)。假設(shè)器件工作在真空環(huán)境中，且支撐結(jié)構(gòu)具有完美的熱絕緣性質(zhì)，即與空氣和支撐結(jié)構(gòu)有關(guān)的熱導(dǎo)均為0，僅需考慮輻射熱導(dǎo)。

傳統(tǒng)的理想熱敏探測(cè)器理論上通常假設(shè)吸收器具有寬光譜吸收特性，且η基本不隨波長(zhǎng)的變化而變化?？傻迷肼暤刃Чβ蕿椋?/p>

噪聲等效功率是理想熱敏探測(cè)器在輻射熱導(dǎo)產(chǎn)生的噪聲背景中能夠探測(cè)到的最小可探測(cè)功率，其為入射在探測(cè)器上的輻射產(chǎn)生的電信號(hào)恰好等于噪聲信號(hào)時(shí)所對(duì)應(yīng)的輻射功率。

理想熱敏探測(cè)器的比探測(cè)率D*：

其中，Δf為噪聲等效帶寬，是探測(cè)器的有效噪聲帶寬。D*實(shí)際上是將NEP按探測(cè)器的面積和帶寬歸一化，使得具有不同面積以及電路的探測(cè)器能夠進(jìn)行性能對(duì)比，是描述探測(cè)器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖3展示了不同類(lèi)型探測(cè)器的比探測(cè)率及其理論極限，結(jié)果顯示理想熱敏探測(cè)器的性能理論極限與光電探測(cè)器相比還有一定差距。不過(guò)，上述的理想熱敏探測(cè)器性能理論極限是基于理想的寬譜吸收熱敏探測(cè)器所得。由基爾霍夫輻射定律可知，物體的輻射率與吸收率有關(guān)，寬譜強(qiáng)吸收的特性意味著器件同時(shí)具有寬譜強(qiáng)輻射的特性，導(dǎo)致器件具有比較大的輻射熱導(dǎo)，增大了器件的噪聲，最終影響了探測(cè)器的性能上限。

圖3 紅外探測(cè)器比探測(cè)率隨波長(zhǎng)變化關(guān)系圖

實(shí)際上，許多應(yīng)用場(chǎng)景往往并不需要超寬帶的吸收，只需要對(duì)特定波長(zhǎng)的電磁波強(qiáng)吸收即可。研究表明，具有窄帶選擇性吸收的熱敏探測(cè)器，其比探測(cè)率可突破寬譜吸收熱敏探測(cè)器的理論極限，甚至特定情況下可優(yōu)于光電型探測(cè)器。與寬譜吸收的理想熱敏探測(cè)器相同，選擇性吸收的理想熱敏探測(cè)器也只需要考慮其與背景的輻射熱導(dǎo)產(chǎn)生的噪聲，這種噪聲來(lái)源于探測(cè)器發(fā)射或吸收的光子能量的漲落。

計(jì)算熱敏探測(cè)器在300 K下幾種選擇性吸收情況相比于寬譜全吸收的增強(qiáng)：若選擇性全吸收3-5 μm，其余波段完全不吸收，則比探測(cè)率增強(qiáng)4.19倍；若選擇性全吸收8-14 μm，其余波段完全不吸收，則比探測(cè)率增強(qiáng)1.41倍；若選擇性吸收的中心波長(zhǎng)為10 μm，帶寬為100 nm，其余波段完全不吸收，則比探測(cè)率增強(qiáng)10.21倍。因此，光譜選擇性吸收的熱敏探測(cè)器件性能指標(biāo)不但遠(yuǎn)好于寬光譜響應(yīng)熱敏探測(cè)器，甚至能夠超越長(zhǎng)波紅外光電探測(cè)器的理論極限。

光譜選擇性熱敏探測(cè)器的實(shí)現(xiàn)方法

以超構(gòu)表面、納米微腔為代表的人工微結(jié)構(gòu)光子學(xué)器件近年來(lái)吸引了人們的廣泛關(guān)注。人工微結(jié)構(gòu)可在比工作波長(zhǎng)更短的尺度上操縱和控制光子，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的選擇性強(qiáng)吸收，相關(guān)的工作實(shí)現(xiàn)了覆蓋微波、太赫茲、紅外到可見(jiàn)光等各個(gè)波段，被證明具有強(qiáng)大的電磁調(diào)控能力。人工微結(jié)構(gòu)理念的出現(xiàn)，為紅外探測(cè)器的研究發(fā)展提供了新的契機(jī)。研究結(jié)果表明，將人工微結(jié)構(gòu)引入到光子型紅外探測(cè)器，能夠有效提高探測(cè)器的性能，包括光導(dǎo)探測(cè)器，光伏探測(cè)器，量子阱探測(cè)器，超晶格探測(cè)器，量子點(diǎn)探測(cè)器以及肖特基型熱電子探測(cè)器等。另外，在熱探測(cè)器方面，研究結(jié)果顯示，通過(guò)精細(xì)的光學(xué)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將人工微結(jié)構(gòu)集成在測(cè)輻射熱計(jì)、溫差電偶和熱釋電探測(cè)器中，不但可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇性吸收，降低器件的輻射熱導(dǎo)，而且由于微結(jié)構(gòu)具有亞波長(zhǎng)特性，同時(shí)具有局域光的能力，可以通過(guò)減薄器件厚度來(lái)大大降低器件的熱容，從而可實(shí)現(xiàn)器件綜合性能的提升。

基于人工微結(jié)構(gòu)光譜選擇性增強(qiáng)吸收的紅外熱敏探測(cè)器主要包括兩種類(lèi)型，一種為法布里珀羅腔結(jié)構(gòu)，另一種為人工設(shè)計(jì)的等離激元超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)能將光吸收并局域在特定的區(qū)域。對(duì)于如圖4所示的法布里珀羅腔型結(jié)構(gòu)，熱敏材料設(shè)計(jì)在懸浮在反射襯底上，熱敏材料與反射襯底之間的間隔決定了共振波長(zhǎng)。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)窄帶而且可調(diào)諧的光譜響應(yīng)特性。不過(guò)，該結(jié)構(gòu)也具有以下局限性：（1）這種結(jié)構(gòu)依舊要求在探測(cè)器上有吸收介質(zhì)來(lái)吸收光并產(chǎn)生溫度變化。（2）法布里珀羅腔結(jié)構(gòu)的吸收具有很強(qiáng)的角度相關(guān)性，需要使用低數(shù)值孔徑的成像系統(tǒng)。（3）懸浮結(jié)構(gòu)的熱敏探測(cè)器下方需要形成法布里珀羅光學(xué)腔，無(wú)法加入支撐結(jié)構(gòu)，增大了像元的尺寸，降低了焦平面陣列的填充系數(shù)。（4）像元的光譜響應(yīng)由懸浮的法布里珀羅腔的長(zhǎng)度決定，鄰近像元之間難以精確獨(dú)立地控制腔長(zhǎng)，因此不易實(shí)現(xiàn)多光譜響應(yīng)的探測(cè)。（5）由于熱敏探測(cè)器懸浮在反射襯底上，熱探測(cè)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)會(huì)改變法布里珀羅腔的共振波長(zhǎng)，也就改變了器件的工作波長(zhǎng)，引入了額外的噪聲來(lái)源。

圖4 法布里珀羅腔結(jié)構(gòu)的光譜選擇性探測(cè)器：（a）基本結(jié)構(gòu)示意圖。（b）熱敏材料VOx置于腔內(nèi)的結(jié)構(gòu)。（c）熱敏材料置于頂層的結(jié)構(gòu)。（d）基于法布里珀羅腔選擇性探測(cè)的微型光譜儀

與法布里珀羅腔結(jié)構(gòu)相比，能夠同時(shí)具有光譜選擇特性和增強(qiáng)吸收特性的人工微結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面在某些方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。超構(gòu)表面是指由亞波長(zhǎng)人工原子按某種特定排列方式構(gòu)建的微結(jié)構(gòu)陣列，因其結(jié)構(gòu)單元及排列方式均可自由設(shè)計(jì)，展現(xiàn)出對(duì)電磁波強(qiáng)大的調(diào)控能力，近十多年來(lái)一直是光學(xué)領(lǐng)域研究的前沿。超構(gòu)表面的電磁響應(yīng)特性與其結(jié)構(gòu)的幾何形狀有關(guān)，因此可以通過(guò)人工設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)所需的電磁響應(yīng)。通常，超構(gòu)表面的特殊電磁響應(yīng)特性與腔結(jié)構(gòu)類(lèi)似，是通過(guò)共振來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)的耦合。與微腔結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的法布里珀羅共振不同，超構(gòu)表面更多的是基于表面等離激元共振模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)的光強(qiáng)吸收，并轉(zhuǎn)化為熱，進(jìn)而通過(guò)熱敏材料實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)化。等離激元共振包括兩種類(lèi)型，一種是表面等離極化激元（SPP），是被限制在介質(zhì)與金屬界面上與金屬的電子等離子體發(fā)生耦合的傳輸型表面波，其波矢比介質(zhì)中光子的波矢更大，無(wú)法直接激發(fā)，且電場(chǎng)在垂直于界面方向上呈指數(shù)衰減。另一種是局域表面等離激元（LSP），是金屬納米顆粒表面上的電子振蕩受到幾何形狀所產(chǎn)生的邊界條件限制，被局域在金屬納米顆粒表面的共振模式。上述的兩種共振類(lèi)型可以通過(guò)具有微結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面激發(fā)，從而對(duì)共振波長(zhǎng)位置的光產(chǎn)生強(qiáng)吸收。因此，集成了超構(gòu)表面的熱敏探測(cè)器能夠通過(guò)上述兩種共振模式來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜選擇性吸收。超構(gòu)表面吸收器具有不需要額外的微腔結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)吸收與光譜選擇的特性。因此，超構(gòu)表面熱敏探測(cè)器不需要附加的光學(xué)結(jié)構(gòu)，從而可以方便地設(shè)計(jì)和制備支撐結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更好的熱絕緣和更大的填充系數(shù)。此外，材料的吸收、光譜以及角度特性在很大程度上由所設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)單元所決定，從而單片上就能集成不同光譜選擇特性的探測(cè)器。超構(gòu)表面還能將光壓縮在亞波長(zhǎng)的區(qū)域范圍內(nèi)，使得吸收器的體積和質(zhì)量很小，降低器件整體的熱容，提高器件的性能。因此，集成人工超構(gòu)表面微結(jié)構(gòu)的熱敏探測(cè)器具有更大的優(yōu)勢(shì)，接下來(lái)，我們簡(jiǎn)要介紹基于人工微結(jié)構(gòu)材料體系的光譜選擇性熱敏探測(cè)器的相關(guān)實(shí)例。

相關(guān)實(shí)例

測(cè)輻射熱計(jì)

測(cè)輻射熱計(jì)利用材料的電阻隨溫度變化而變化的特性來(lái)測(cè)量吸收到的輻射。實(shí)際應(yīng)用中，在恒定的電流或電壓工作模式下，吸收熱輻射后溫度升高產(chǎn)生的電阻變化可通過(guò)測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓或電流的變化來(lái)獲得。對(duì)于測(cè)輻射熱計(jì)，衡量其材料性能的一個(gè)重要參數(shù)是電阻溫度系數(shù)α（TCR）。電阻溫度系數(shù)是溫度變化時(shí)材料電阻變化的百分比，描述了材料的電阻對(duì)溫度變化的敏感程度。絕大多數(shù)材料由于存在熱激發(fā)載流子和熱相關(guān)的散射過(guò)程，其TCR 的值都不會(huì)為0。常用的具有電阻高溫度變化特性的材料包括非晶硅和氧化釩，其TCR值超過(guò)了2%。

金屬-介質(zhì)-金屬的三層結(jié)構(gòu)在超構(gòu)表面吸收器方面已經(jīng)有了成熟的研究工作，因此可以直接將其利用到測(cè)輻射熱計(jì)上，作為光學(xué)吸收結(jié)構(gòu)使用。圖5（a）是Thomas Maier 等早期提出的金屬-介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)作為吸收器的測(cè)輻射熱計(jì)。圖5（b）為Shun Jiang等人所報(bào)道的利用相變材料VOx作為熱敏材料，表面集成了Au-SiN-Au光柵型微結(jié)構(gòu)的測(cè)輻射熱計(jì)。圖5（c）所展示的是Thang Duy Dao等人設(shè)計(jì)的集成了金屬-介質(zhì)-金屬（Au-Al?O?-Au）型超構(gòu)表面吸收器的測(cè)輻射熱計(jì)，器件選取了a-Si作為熱敏材料，并在超構(gòu)表面吸收結(jié)構(gòu)與熱敏材料間生長(zhǎng)了一層絕緣介質(zhì)Al?O?以防漏電。圖5（d）為Amjed Abdullah等人所提出的超構(gòu)表面集成測(cè)輻射熱計(jì)，器件利用SixGeyO1-x-y作為熱敏材料，采用單層Al方塊超構(gòu)表面陣列作為吸收器，并設(shè)計(jì)了支撐結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)良好的熱絕緣。圖5（e）是Chunxu Chen等設(shè)計(jì)的Au-SiNx-Au結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面測(cè)輻射熱計(jì)，頂層的Au結(jié)構(gòu)同時(shí)作為光學(xué)結(jié)構(gòu)和熱敏材料，且底部進(jìn)行了懸空處理以降低熱導(dǎo)。

圖5 金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面選擇性吸收測(cè)輻射熱計(jì)

除了上述的金屬-介質(zhì)-金屬的三層結(jié)構(gòu)之外，單層超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能實(shí)現(xiàn)探測(cè)器性能的增強(qiáng)。圖6（a）左圖是M Mahjouri-Samani等設(shè)計(jì)的菱形Ag超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)。圖6（b）是Tatsuya Tsubota等人設(shè)計(jì)的用于近紅外波段的Si基測(cè)輻射熱計(jì)。圖6（c）是F. B. P. Niesler等人設(shè)計(jì)的近紅外波段金屬測(cè)輻射熱計(jì)。Chen Chen等設(shè)計(jì)了如圖6（d）所示的以Ti和Si作為熱敏材料的測(cè)輻射熱計(jì)。他們所使用的懸空薄膜結(jié)構(gòu)厚度僅為220 nm，且單像元尺寸僅為6.2 μm，從而大大降低了器件的熱容。

圖6 超構(gòu)表面選擇性吸收測(cè)輻射熱計(jì)

溫差電偶

溫差電偶探測(cè)器的結(jié)構(gòu)與測(cè)輻射熱計(jì)類(lèi)似，但其熱電轉(zhuǎn)化的原理是塞貝克效應(yīng)。塞貝克效應(yīng)是指兩種導(dǎo)體存在溫差時(shí)，其兩端會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)。利用塞貝克效應(yīng)所制成的器件被稱(chēng)為溫差電偶探測(cè)器。與測(cè)輻射熱計(jì)不同的是，其工作時(shí)不需要額外的恒定電壓或電流，且可以通過(guò)串聯(lián)多個(gè)結(jié)組成溫差電堆來(lái)增大響應(yīng)的電壓。對(duì)于這類(lèi)型的器件，衡量材料性能的重要參數(shù)是塞貝克系數(shù)。

溫差電偶通常是利用兩種不同塞貝克系數(shù)的材料接觸形成結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常用的高塞貝克系數(shù)的金屬材料包括鉍和銻，其單種材料的塞貝克系數(shù)約為幾十μV/K；半導(dǎo)體材料包括n型與p型硅，碲化鉍，碲化銻等，單種材料的塞貝克系數(shù)為一百到兩三百μV/K。一般而言，半導(dǎo)體材料具有相對(duì)更好的性能。亞波長(zhǎng)人工微結(jié)構(gòu)的集成也能夠提升溫差電偶的性能。

Shinpei Ogawa等人設(shè)計(jì)了一種集成了金屬孔陣列的溫差電探測(cè)器（圖7（a））。這種金屬孔陣列能夠通過(guò)調(diào)節(jié)幾何結(jié)構(gòu)尺寸實(shí)現(xiàn)在4–7 μm波段內(nèi)可調(diào)的強(qiáng)吸收，從而實(shí)現(xiàn)光譜選擇性探測(cè)。圖7（b）為Anand S. Gawarikar等人所報(bào)道的溫差電堆探測(cè)器，器件采用了由 Ge-NaF-Cr反射層和Ge-Ni吸收層組成的法布里珀羅腔結(jié)構(gòu)，對(duì)10 μm附近的紅外光實(shí)現(xiàn)了類(lèi)法布里珀羅共振，吸收峰的半高寬約為2.5 μm。圖7（c）是AlexanderLochbaum等設(shè)計(jì)的用于針對(duì)二氧化碳?xì)怏w傳感的器件，器件由一個(gè)熱輻射光源和一個(gè)溫差電偶探測(cè)器組成。圖7（d）是Aapo Varpula等人設(shè)計(jì)的具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)波溫差電偶探測(cè)器。該器件采用P型與N型多晶硅作為熱電偶材料，并分別集成了TiW和TiN的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為吸收器，吸收結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了8 – 14 μm波段的選擇性吸收。

圖7 基于塞貝克效應(yīng)的光譜選擇性熱敏探測(cè)器

近年來(lái)，利用新材料和新方法還進(jìn)一步制備得到了一些新型溫差電偶探測(cè)器。Mingyu Zhang等人制備和測(cè)試了如圖8（a）所示的碳納米管溫差電偶探測(cè)器。圖8（b）是Alireza Safaei設(shè)計(jì)的基于塞貝克效應(yīng)的長(zhǎng)波熱探測(cè)器。圖8（c）為Mahdiyeh Abbasi等人所提出的新型溫差電偶探測(cè)器。

圖8 超構(gòu)表面選擇性吸收新型溫差電偶探測(cè)器

熱釋電探測(cè)器

熱探測(cè)器的另一種類(lèi)型是熱釋電探測(cè)器。熱釋電探測(cè)器利用了熱釋電效應(yīng)，即溫度變化時(shí)，晶體內(nèi)的極化發(fā)生變化，從而在表面產(chǎn)生電荷。與其他兩種熱探測(cè)器不同，熱釋電探測(cè)器是一種交流器件，探測(cè)的是溫度的變化。大部分熱釋電材料也是鐵電材料。

熱釋電探測(cè)器在工作時(shí)，溫度變化引起極化變化，從而在表面產(chǎn)生電荷，并在外電路形成電流，其信號(hào)的大小取決于材料溫度的變化大小以及熱釋電系數(shù)的大小。鐵電材料的熱釋電系數(shù)相對(duì)較高，約為一兩百μC/m2K，如鈦酸鋇，鈮酸鋰等；而非鐵電材料的熱釋電系數(shù)普遍較低，在十μC/m2K以下，其中硫酸鋰的系數(shù)相對(duì)高，總熱釋電系數(shù)為86.3 μC/m2K。

熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)率在高頻下的衰減比測(cè)輻射熱計(jì)和溫差電偶更慢，因而具有更高的截止頻率和更快的響應(yīng)速度。然而，受限于光吸收后的熱擴(kuò)散過(guò)程，實(shí)際的傳統(tǒng)寬譜吸收結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間約為ns到μs量級(jí)。人工微結(jié)構(gòu)由于具有深亞波長(zhǎng)的特性，能夠縮小吸收結(jié)構(gòu)的尺度，降低熱從吸收結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到熱釋電材料的時(shí)間，從而加快器件的響應(yīng)。

對(duì)于短波與中波波段的熱釋電探測(cè)器，近期的研究工作通過(guò)引入隨機(jī)分布的結(jié)構(gòu)以及周期性的金屬-介質(zhì)-金屬陣列結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了良好的超構(gòu)表面集成。Jon W. Stewart等使用隨機(jī)分布的Ag納米方塊結(jié)構(gòu)制備了超構(gòu)表面集成的熱釋電探測(cè)器（圖9（a）），熱釋電材料為AlN。KaishengZhang等設(shè)計(jì)了如圖9（b）所示的超構(gòu)表面鉭酸鋰熱釋電探測(cè)器。他們使用金屬-介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)作為吸收結(jié)構(gòu)，其中頂層金屬為十字陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在3.16 μm處95%的窄帶高吸收，其半高寬為0.7 μm。Anh Tung Doan等設(shè)計(jì)并制備了如圖9（c）所示的Al-Al?O?-Al圓柱的吸收結(jié)構(gòu)，同時(shí)底層Al作為器件的上電極，其下則為ZnO熱釋電材料。

圖9 超構(gòu)表面集成的短波及中波熱釋電探測(cè)器

在更長(zhǎng)的波段上，超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)集成的熱釋電探測(cè)器也能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)氣體吸收的5- 8 μm波段，和長(zhǎng)波大氣窗口增強(qiáng)探測(cè)。Xiaochao Tan等設(shè)計(jì)了如圖10（a）所示的一種用于多種氣體檢測(cè)的超構(gòu)表面鉭酸鋰熱釋電探測(cè)器。圖10（b）是Kansho Yamamoto等人設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面光譜選擇性熱釋電探測(cè)器，他們使用AlN作為熱釋電材料，并在上電極引入金屬圓孔陣列的結(jié)構(gòu)。Jonathan Y. Suen等設(shè)計(jì)了如圖10（c）的上電極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)同時(shí)還作為光吸收層，在長(zhǎng)波波段實(shí)現(xiàn)共振強(qiáng)吸收。

圖10 超構(gòu)表面集成的氣體探測(cè)與長(zhǎng)波熱釋電探測(cè)器

總結(jié)與展望

傳統(tǒng)的寬譜響應(yīng)熱敏探測(cè)器由于具有相對(duì)比較大的輻射熱導(dǎo)，因此也就會(huì)具有相對(duì)比較大的本底噪聲，最終限制了器件性能的上限。研究表明，窄帶光譜選擇性吸收的熱敏探測(cè)器可以突破這一限制。人工微結(jié)構(gòu)材料體系可在亞波長(zhǎng)尺度范圍內(nèi)操控光子，實(shí)現(xiàn)光譜選擇性吸收。集成人工微結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面的光譜選擇性熱敏探測(cè)器可降低輻射熱導(dǎo)，降低器件的本底噪聲，提升了器件的性能。此外，超構(gòu)表面的深亞波長(zhǎng)特性和強(qiáng)局域效應(yīng)還能夠減小器件及其支撐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，從而降低器件熱容，縮短器件的響應(yīng)時(shí)間和增大響應(yīng)率。對(duì)于僅需要在特定波段進(jìn)行探測(cè)的應(yīng)用，如大氣窗口波段內(nèi)的探測(cè)、氣體紅外傳感等，集成具有光譜選擇性的人工微結(jié)構(gòu)是提高熱敏探測(cè)器性能的有效途徑。盡管理論分析表明光譜選擇性熱敏探測(cè)器的比探測(cè)率能夠達(dá)到1011 cm?√Hz/W量級(jí)，但現(xiàn)有報(bào)導(dǎo)的實(shí)際器件性能與理論極限還有很大距離，還有很大的上升空間。目前的相關(guān)研究工作依然有限，未來(lái)仍需要更加深入地開(kāi)展相關(guān)研究，包括建立與實(shí)際更加符合的理論模型以及進(jìn)行更多與光譜選擇性熱敏探測(cè)器相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，以期達(dá)到或接近理論預(yù)測(cè)的極限?，F(xiàn)有的工作所達(dá)到的最高性能是基于法布里珀羅腔結(jié)構(gòu)的光譜選擇性熱探測(cè)器（圖7（b）），其比探測(cè)率達(dá)到了10? cm?√Hz/W。如前文所述，盡管超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)相比于法布里珀羅腔結(jié)構(gòu)具有眾多優(yōu)勢(shì)，集成超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作尚未充分挖掘其潛力，其性能仍未超過(guò)法布里珀羅腔結(jié)構(gòu)的熱敏探測(cè)器。因此，未來(lái)的工作還應(yīng)繼續(xù)利用好超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)選擇性和結(jié)構(gòu)尺寸深亞波長(zhǎng)的特性，借鑒超構(gòu)表面調(diào)控電磁波的相關(guān)工作，設(shè)計(jì)具有更小尺寸和更強(qiáng)局域效應(yīng)的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，集成在熱敏探測(cè)器上進(jìn)一步減小器件的熱容和熱導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)更高的比探測(cè)率。總之，人工微結(jié)構(gòu)微納光子學(xué)的發(fā)展為研發(fā)下一代更高性能的紅外探測(cè)器提供了新的機(jī)遇。

這項(xiàng)研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFA1404701、2017YFA0205800）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62075231）和上海市科委項(xiàng)目（20JC1414603）的資助和支持。