注：本文由論文作者（課題組）投稿

紅外光電技術(shù)經(jīng)過 70 多年的發(fā)展，從最初的單一強度的像素探測到現(xiàn)在光子智能化探測與極限靈敏度探測在探測器規(guī)模、集成方式以及探測譜段都實現(xiàn)了飛躍，如多譜段/高光譜成像、百萬像素級的先進焦平面與智能處理技術(shù)等，服務(wù)于環(huán)境資源、空間科學(xué)、智慧城市等領(lǐng)域建設(shè)。

隨著環(huán)境多樣化、隱蔽目標(biāo)特征復(fù)雜化，短波紅外光子受環(huán)境干擾大，拓展紅外探測波長范圍覆蓋 30 微米至 3000 微米的電磁頻譜探測亦是突破傳統(tǒng)短波紅外強度表層探測對物質(zhì)深層次多維信息“CT”功能探測瓶頸的重要手段，對復(fù)雜環(huán)境抗干擾、目標(biāo)特征識別、精細光譜與安全反恐等能力的提升具有戰(zhàn)略意義，并成為當(dāng)前研究解決的重點方向。

然而，既有紅外探測材料與器件受限于本征暗電流與工作溫度主要圍繞20微米波段以下工作，在波長拓展面臨著巨大的原理性和系統(tǒng)性(制冷、功耗、體積、質(zhì)量等)挑戰(zhàn)。為此，亟需探索新興的材料與器件結(jié)構(gòu)體系，滿足具備室溫、低功耗、小型化、長波探測等特點的小型化器件技術(shù)以應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境下的智能化裝備的多種功能用途需求。

近日，來自中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的王林、陳效雙、陸衛(wèi)研究團隊在 Light: Science & Applications 以 Hybrid Dirac semimetal-based photodetector with efficient low-energy photon harvesting 為題在線發(fā)表論文。

該團隊報道了一種基于 II 類 Dirac 半金屬硒化鉑 (PtSe?) 的光電探測器，集成超短溝道天線、非對稱接觸電極和范德華異質(zhì)結(jié)等微納工藝，在超強電磁耦合功能基礎(chǔ)上在室溫下可實現(xiàn)對低能光子信號的高頻整流以及物體內(nèi)部進行了類似CT的掃描成像，展示了微納量子結(jié)構(gòu)在光電探測系統(tǒng)復(fù)雜特征信息檢測中極具活力的應(yīng)用前景。

1. “納米尺度光場聚焦與室溫探測轉(zhuǎn)換雙重功能”：狄拉克半金屬的耦合非對稱寬帶探測器  

相對于短波紅外，長波光子具有更強的穿透能力，特別對于復(fù)雜環(huán)境具有更強的抗干擾能力，如入“無人之境”，可對物質(zhì)深層信息進行充分挖掘。

然而，傳統(tǒng)光子探測器受材料帶隙限制的本征暗電流極限、光吸收或倍增區(qū)面積受限、波長匹配極限等問題束縛所導(dǎo)致的量子效率、探測率和工作溫度瓶頸，使得光電系統(tǒng)在體積、質(zhì)量、功耗等綜合運用能力方面存在劣勢并限制了智能化光電系統(tǒng)的普適性。

為此，發(fā)展新型的具備優(yōu)異量子態(tài)特征且具備高效低能量光子接收與轉(zhuǎn)換的器件原理，實現(xiàn)室溫下器件小型化與多功能對于長波譜段探索人類未知領(lǐng)域與新型頻譜資源利用具有重要科學(xué)實際意義。

低維結(jié)構(gòu)物態(tài)的多樣性與可操控性為形成具備新型光電功能器件帶來了新的機遇，其中狄拉克半金屬具有非平庸的第二類狄拉克錐結(jié)構(gòu)，由于強的自旋-軌道耦合形成電子-空穴費米面共存的傾斜狄拉克錐，且通過時間或空間反演操縱產(chǎn)生手性費米子、反常光電性質(zhì)等，從多個維度進行低能量子態(tài)的新型行為調(diào)控，促進匹配低能光子態(tài)的俘獲和光電轉(zhuǎn)換集成化。

“紅外-太赫茲低能光子與低維材料存在五個量級尺度上的差距，通過傳統(tǒng)光子的粒子激發(fā)探測與波長匹配的光敏面吸收區(qū)在光電信號分離中是不切實際的，通過理論和實驗發(fā)現(xiàn)納尺度范圍的電磁等離激元效應(yīng)可實現(xiàn)光子態(tài)密度數(shù)量級的增強極大地促進了拓撲半金屬非平衡態(tài)的激發(fā)放大。”該論文第一及通訊作者、上海技物所啟明星研究員王林介紹說：“基于納米尺度的電磁模態(tài)與新型狄拉克電子行為特征的有效組合，實現(xiàn)了 1 到 100 的功能放大效果，在滿足高工作溫度的前提下，有效降低器件尺寸、暗電流并克服納尺度高速轉(zhuǎn)換的集成化問題。”

2. “低功耗長波探測與成像”：狄拉克半金屬混合集成探測  

傳統(tǒng)意義來說，Gapless 半金屬結(jié)構(gòu)由于自身低電阻會帶來熱噪聲或暗電流噪聲不利于信號分離，因此需要降低電場下噪聲水平。

超亞波長結(jié)構(gòu)在解決近場耦合能力的同時在幾何結(jié)構(gòu)上引入內(nèi)部非對稱元素，從而可增強光子作用概率與非平衡態(tài)的動量取向，在帶寬提升的同時促使載流子有效分離。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體 P-N 結(jié)或范德華異質(zhì)結(jié)架構(gòu)所不同的是低能激發(fā)過程是在自身電磁動量操控實現(xiàn)信號整流，是基于多數(shù)載流子的耦合效應(yīng)，特別對于無空間反演對稱原子結(jié)構(gòu)其本征光電具備類二極管的傳輸能力，從而避免了傳統(tǒng)電荷輸運少子擴散、隧穿等暗電流本征極限問題。此外，PtSe? 類拓撲狄拉克半金屬具備 vdW 晶格屬性可通過低界面勢壘的半金屬異質(zhì)結(jié)實現(xiàn)非平衡態(tài)的熱發(fā)射轉(zhuǎn)換，通過能帶匹配實現(xiàn)優(yōu)于當(dāng)前肖特基二極管太赫茲探測的阻抗與頻率范圍。

“這種復(fù)合的異質(zhì)集成能力顛覆了傳統(tǒng)探測模式在波長拓展中的困難，對填補低能光子探測特別在太赫茲頻段光電技術(shù)的空白具有重要意義，展示了狄拉克態(tài)及材料結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)量子裁剪功能的新型光電器件的巨大優(yōu)勢，積極促進了未來復(fù)雜環(huán)境下穿透識別、人工智能物聯(lián)網(wǎng)、通訊感知一體化等小型化智能平臺對太赫茲電磁頻譜資源的利用?！鄙虾＜嘉锼芯繂T陳效雙介紹說。

3. “戰(zhàn)疫-安檢雙重特點”：太赫茲毫米波成像儀  

自 2020 年初新冠疫情爆發(fā)以來，全球已有超過 600 萬人被無情地奪去生命。伴隨著我國客運站和機場客流量的逐年遞增，疫情防控和安全檢查變得同等重要。

目前，紅外體溫測量方式僅能測量暴露皮膚表層溫度，其易受環(huán)境溫度影響，造成結(jié)果錯誤，使異常體溫人員進出站導(dǎo)致防控失效。因此，研究更便捷、更快速、更精確的體溫檢測設(shè)備變得至關(guān)重要。

得益于太赫茲毫米波的指紋識別性、高透性、低能輻射性等特點，高性能太赫茲探測器可以實現(xiàn)對衣物的穿透成像，從而得到人體的真實溫度同時實現(xiàn)無接觸識別，減少環(huán)境影響，大大提高設(shè)備的精度。此外，太赫茲探測器還可以對易燃易爆品、毒品等物質(zhì)進行快速無損檢測與成像，從而實現(xiàn)安全檢查功能。

上海技物所研究員陸衛(wèi)補充說到, 隨著太赫茲探測光電技術(shù)的進一步發(fā)展，具備雙重或多重復(fù)合成像特點的主被動結(jié)合的紅外-太赫茲毫米波成像儀是未來發(fā)展新的趨勢，狄拉克半金屬光電探測混合集成的優(yōu)點為多模融合成像在測溫、安檢的雙重功能實現(xiàn)提供了新的可能。

太赫茲毫米波的探測與成像正處于蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵時期。雖然現(xiàn)有的探測器距離市場應(yīng)用還有一段距離，但隨著它們在軍事和民用領(lǐng)域的迫切需求，相信終有一天它們會無處不在。

論文信息  

Wang, L., Han, L., Guo, W. et al. Hybrid Dirac semimetal-based photodetector with efficient low-energy photon harvesting. Light Sci Appl 11, 53 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00741-8

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