天津大学构建新型红外-太赫兹宽谱探测器

红外及太赫兹波包含大量的信息，能在医学、农学以及环境监测中得到有效的利用。红外至太赫兹探测器还可用于检测半导体芯片的微小变化，以用于提高其功能性能。此外，它可以被用于检测空气中的污染物，研究大气环境等多应用场景。

目前，中国尚未拥有商用室温红外-太赫兹宽谱探测器，国外产品也存在工作温度低、易受热源干扰、不便于携带、灵敏度低等问题，无法满足相关的应用需求。

由于红外-太赫兹波段光子能量较低，无法通过电子激发的方式实现光电转换，且环境的背景噪声容易对检测过程产生影响。因此，传统的太赫兹探测器需要在低温环境下工作，以便降低探测器的信噪比。这导致探测器存在结构复杂、体积庞大、制造成本高等缺点，限制了其自身的广泛应用及集成化。

多年来，天津大学副教授张雅婷团队一直致力于采用新材料与新机理相结合的方式，来研究室温运转的高灵敏红外-太赫兹探测器。

（来源：Advanced Functional Materials）

在近期一项工作中，课题组从全新视角审视了半导体中带电粒子的光-热-电过程，根据电子、空穴的热-电过程，类比推演到另一类一直被忽略的带电粒子——离子。

通过分析测辐射热计光热电流、以及追踪离子迁移的动态过程，该团队首次提出离子-测辐射热效应；在微纳尺度深入研究离子-测辐射热效应的关键作用，并结合库伦过程实现对于红外及太赫兹波独特的负电压响应；并利用离子-测辐射热效应，结合太赫兹埋底天线设计，构建出一种新型红外-太赫兹宽谱探测器，借此极大提高了太赫兹探测器的响应性能。

概括来说，该成果详细研究了晶界的热激活离子输运如何产生显著的光电压响应，演示了离子测热探测器对于近红外和太赫兹波段的响应性。

张雅婷表示：“这项成果将仿真与实验结果结合得比较好。仿真，为实验提供了一定的理论指导和前瞻性；实验结果，又为仿真的设计方向掌舵。我们的工作也是首次利用多物理场模型有机的耦合了材料学、光学、电学与热学，这为后续的热电探测器设计奠定了理论基础。此外，还可以在现有模型的基础上进行结构变式，这将节省直接实验花费的人力物力，使探测器设计更加有的放矢。”

近日，相关论文以《晶界中的离子辐射热效应使近红外到太赫兹光探测的高光电压响应成为可能》（Ion-Bolometric Effect in Grain Boundaries Enabled High Photovoltage Response for NIR to Terahertz Photodetection）为题发在 Advanced Functional Materials 上，Mengyao Li 是第一作者，中科院院士&天津大学教授姚建铨以及张雅婷担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

据介绍在之前的研究中，该团队尝试使用大面积的钙钛矿材料，构建过宽谱红外-太赫兹探测器。实验中，他们发现晶粒小的薄膜表现出更好的光电响应，故对这一现象进行了假设猜想。其猜想，晶界中富集缺陷态会对热载流子迁移的过程会产生一定的影响。

由于钙钛矿材料合成过程的特性和理化稳定性，经过多次讨论之后课题组使用聚焦离子束（FIB，Focused Ion beam）的方法，定向加工微纳尺寸的钙钛矿器件。通过对加工过程的精准调控，可以控制器件中晶界的排列方向与占比。

结合光电检测性能的对比，研究人员对上述假设进行验证。但却发现初步实验结果和他们的设想并不一致：即器件的特征性能指标和其晶界浓度之间的相关性较低。因此仅从初步结果来看，晶界并不是器件性能的关键影响因素。

但是，该团队并未放弃这个课题，而是决定直接追踪纳米尺度下的热空穴过程。从两种实验结果的不一致性上他们发现，在整个器件的响应过程中，可能存在另一种之前一直被忽略的带电粒子也就是离子的参与。

基于这一观点，他们又进一步对热极化后的器件进行表征，结果很好地印证了他们的猜想——在钙钛矿对红外-太赫兹的光-热-电响应过程中，晶界的离子参与了整个过程，并补充了光热电流。同时，由于其在界面处的富集会产生内建电场，即表现为光生电压。

但在这时新的问题又出现了，由于器件面积较小，且材料本身对太赫兹波的吸收很弱，因此必须使用天线结构聚焦太赫兹波实现响应探测。而钙钛矿的理化性质，不允许进行光刻操作。

经过多次讨论之后，该团队初步敲定了埋底天线设计，并经过仿真模拟计算确定了如下规律：这种位于介质下面的对数周期天线，也可以实现较高的增益系数，借此加工出的太赫兹探测器能表现出优异的响应性能。

回顾研究全程，张雅婷表示：“相较于发表高水平的论文，我也希望为国家微纳光电探测事业做出贡献，同时我也关注对于年轻一代学生的培养，着重培养他们的独立思考能力，在实践与错误中摸索出一条属于他们自己的科研道路。我常常告诉学生：没有失败的实验经历，就不会有对科学的敬畏之心。每一份样品在测试仪器下都蕴含着成功的希望，不要害怕实验带来的挫折。在保持理性分析的思考下，也需要‘适当的感性’，相信自己的研究终会带来成果，以及不要怀疑自己所具备的能量。”

审核编辑 ：李倩