光電探測器|美國加州理工大學研究人員開發出結合納米光子學及熱電學技術的新型光電探測器,能在高光譜解析度下探測更寬光譜範圍

2021-02-18 大國重器高端電子元器件

來自美國加州理工大學的研究人員開發了一種結合了納米光子學和熱電學的新技術，具有在可見光、紅外波段以高光譜解析度檢測光波長的潛力。該探測器的運行速度比同類熱電設備快10到100倍，相比於傳統的光電探測器，該技術能夠在更寬的光譜範圍內進行探測。

圖為色彩探測器的概念實際模型示意圖

美國加州理工大學的研究人員在單一的懸浮納米薄膜結構上結合了諧振吸收以及熱電接點，創造了一種具有獨立帶隙的光電探測結構。該團隊的研究成果表明該結構是可調諧的，並且具有對特定波長的探測能力，其輸入功率響應高達38V/W，帶寬接近3 kHz。

該團隊分別對碲化鉍/碲化銻結構以及鎳鉻/鋁鎳合金結構進行了測試及報導，證實其為具有潛力的共振納米光子-熱電材料，有望用於光電應用如無帶隙限制的高光譜、寬帶寬的光電探測器等。

該探測器製造於加州理工大學Kavli納米科技研究所的超淨間，在亞波長結構製造過程結合了氣相沉積以及電子束光刻技術作。據該研究團隊報導，用於製作該探測結構的合金材料具有大家熟知的熱電性質，因此這項研究可也適用於更多種不同的材料。

加州理工大學應用物理和材料科學和應用科學學院的Harry Atwater教授表示：「在納米光子學中，我們一直在研究光與比光波長本身更小尺寸結構之間的相互作用，這是一直在制約我們進步的一大問題。在本次研究工作中，我們結合了該屬性與熱電學的能量轉換特性，從而製造出了一個新型光電裝置。」

該探測器有諸多應用前景，例如可用於觀測植被與景觀的衛星、區分健康狀態與細胞癌變的醫療成像等。由於該探測器能捕捉到太陽光和熱中的紅外波段，而傳統的太陽能材料不能收集這些波長，因此該技術可用於改進太陽能電池及成像設備。

研究員Kelly Mauser表示：「該研究是納米光子學和熱電學之間的橋梁，通常情況下這兩個學科沒有什麼交叉，該研究為兩學科創造了合作良機。這兩個領域的交界還有大量未經探索、令人興奮的潛在應用和研究機會。」

「Resonant thermoelectric nanophotonics」Kelly W. Mauser, Seyoon Kim, Slobodan Mitrovic, Dagny Fleischman, Ragip Pala, K. C. Schwab      & Harry A. Atwater. Nature Nanotechnology (2017) doi:10.1038/nnano.2017.87

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