圖1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該自卷曲管狀碲基探測(cè)器(Self-rolled Tubular Tellurium-based Detector,下稱TTD)對(duì)光探測(cè)性能提升的顯著效果

2024年7月，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系梅永豐/黃高山課題在光學(xué)重要期刊Light: Science & Applications上發(fā)表了題為“Enhanced photothermoelectric conversion in self-rolled tellurium photodetector with geometry-induced energy localization”的研究論文。該研究利用自卷曲技術(shù)，將作為光熱電活性材料的碲納米薄膜從襯底分離并組裝成三維管狀自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器，揭示了器件中的光、熱能量局域以及三維尺度下的光-熱-電轉(zhuǎn)換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了寬帶光探測(cè)及靈敏度提升，為多維度光電探測(cè)提供了有效的解決方案。

局域光能和熱能以實(shí)現(xiàn)高效的光熱電轉(zhuǎn)換對(duì)于高性能光熱電探測(cè)至關(guān)重要。但微納尺度器件在多物理場(chǎng)耦合作用下的研究，尤其是襯底影響，正在面臨挑戰(zhàn)。隨著片上集成器件向三維發(fā)展，三維微納器件的構(gòu)效關(guān)系需深入探究。利用納米薄膜剝離技術(shù)構(gòu)建獨(dú)立的三維微納結(jié)構(gòu)，可以有效局域光熱能量，為器件實(shí)用化提供重要支持。

測(cè)量方法與部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究團(tuán)隊(duì)采用光熱電活性材料，并通過自卷曲納米技術(shù)，利用納米薄膜的縱向內(nèi)應(yīng)變梯度，將從襯底脫離的納米薄膜重新組裝成三維卷曲結(jié)構(gòu)(圖1a)。這種結(jié)構(gòu)由于諧振效應(yīng)，能夠?qū)⒐鈭?chǎng)能量集中于懸空的三維管壁中(圖1b)，導(dǎo)致更大的溫差，進(jìn)而在熱電轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生顯著的電勢(shì)差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該自卷曲管狀碲基探測(cè)器(Self-rolled Tubular Tellurium-based Detector,下稱TTD)對(duì)光探測(cè)性能提升的顯著效果，自驅(qū)動(dòng)光生電壓實(shí)現(xiàn)了307倍的提升。

團(tuán)隊(duì)深入探究了自卷曲探測(cè)器中的光熱電效應(yīng)及其位置依賴性。圖2(a-b)展示了自卷曲光熱電器件內(nèi)入射光的位置與產(chǎn)生的光生電流強(qiáng)度和方向之間的映射關(guān)系，從而證實(shí)了三維結(jié)構(gòu)中光-熱-電的耦合與轉(zhuǎn)換效率。圖2(c)展示了在不同波長的激光照射下，TTD的自驅(qū)動(dòng)光生電壓(Vph)與入射光功率密度(Pλ)之間存在良好的線性關(guān)系，這證實(shí)了TTD在寬波長范圍內(nèi)對(duì)光的敏感性和自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)能力。圖2(d)展示了在不同波長的激光照射下，TTD的電壓響應(yīng)度(RV)隨入射光功率密度(Pλ)的變化。在940 nm激光照射下，TTD的RV達(dá)到了252.13 V W?1，這是一個(gè)非常高的值，表明TTD在該波長下的光熱電轉(zhuǎn)換效率非常高。綜上所述，TTD展現(xiàn)了其在從可見光到長波紅外的超寬波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)的能力。TTD的自驅(qū)動(dòng)特性意味著它可以在無需外部電源的情況下工作，這為便攜式和遠(yuǎn)程光探測(cè)應(yīng)用提供了便利。

圖2. 自卷曲探測(cè)器的光熱電效應(yīng)驗(yàn)證：a-b. 研究所用空間坐標(biāo)系，以及光生電流的位置依賴關(guān)系的示意圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果;c-d. 多波長激發(fā)下入射光功率與自驅(qū)動(dòng)光生電壓，電壓響應(yīng)度關(guān)系曲線。

本研究中所有光響應(yīng)測(cè)量結(jié)果，包括光電流映射、光電壓線掃描和其他光電特性，均由 MStarter 200 探針臺(tái)、Keysight B2902B 和 鎖相放大器(OE1022)測(cè)量。

總結(jié)

本項(xiàng)研究采用了三維自卷曲納米技術(shù)，并結(jié)合了熱電功能材料，成功設(shè)計(jì)并制造了新型的自卷曲三維光熱電探測(cè)器。該三維管狀結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了光吸收和熱局域效果，并通過局部集中的光熱能量，提高了光-熱-電轉(zhuǎn)換效率。該自卷曲光熱電探測(cè)器不僅具有高靈敏度和寬光譜響應(yīng)范圍，還具備自驅(qū)動(dòng)、全向探測(cè)和偏振成像等獨(dú)特功能，預(yù)示著其在片上集成光電系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力巨大。

審核編輯 黃宇