Light | “方寸之间”三维能量限域

导读

近日，来自复旦大学材料科学系的黄高山教授团队利用自卷曲技术将碲纳米薄膜从衬底分离并组装成管状自驱动光探测器，揭示了器件中的光、热能量局域以及三维尺度下的光-热-电转换机制，实现了宽带光探测及灵敏度提升，为多维度光电探测提供了有效的解决方案。相关研究成果以“Enhanced photothermoelectric conversion in self-rolled tellurium photodetector with geometry-induced energy localization”为题，发表于《Light: Science & Applications》。复旦大学硕士生黄嘉媛为论文的第一作者，复旦大学黄高山教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海科学技术委员会“科技创新行动计划”等项目的支持。

光热电效应，包括光-热转换和热-电转换两个能量转换过程。在相应的光热电探测器中，入射光吸收可引起局部温度差，并进而在热电材料中形成电势差实现光探测目的。

为了实现更高性能的光热电探测，有效地局域光能、热能以实现高效的光-热-电能量转换至关重要。然而，由于衬底的影响，微纳尺度下器件性能提升及多物理场耦合作用机制的研究具有较大的挑战性。在片上集成器件向三维空间发展的趋势下，三维微纳器件的构效关系也需要详细探索。因此，利用纳米薄膜剥离组装技术将功能材料薄膜与衬底分离，构建独立的三维微纳结构，实现光、热能量局域，将为上述研究提供极大助力，也将为相应器件的实用化奠定重要基础。

三维结构对光探测的影响

由于光热电探测器是通过吸收入射光引起的局部温度差输出电信号，其响应波段理论上不受材料带隙的限制。本工作中所得到的自卷曲光热电探测器也被证实能够实现从可见光到长波红外超宽波段范围的自驱动光探测。利用探测器卷曲圈数的调控，可以进一步优化自驱动光探测器的性能。

全向探测与偏振成像

得益于管状探测器特殊的三维几何构型，自卷曲光热电探测器展现了优异的多维度信息探测能力。如图3a所示，自卷曲探测器展现了极佳的广角探测能力。此外，由于三维管状结构柱对称特性，探测器对电场方向平行于管轴方向的偏振光有更好的响应。自卷曲光热电探测器通过单像素传感实现了还原度极佳、分辨率极高的偏振成像，如图3b所示。该结果验证了自卷曲光热电探测器具备强度、偏振方向多维度探测能力。

图3：自卷曲光热电探测器的全向探测与偏振成像。(a) 卷曲探测器的广角探测能力示意图及角度分辨的光生电压测试结果；(b) 在偏振方向与管轴夹角为0°和90°情况下自卷曲器件的成像结果。

总结与展望

本工作利用与成熟半导体技术兼容的三维自卷曲纳米技术结合热电功能材料设计制备了新型自卷曲三维光热电探测器。三维管状结构有效地提高了光吸收和热局域作用，并利用光、热能量局域增强了光-热-电转化。本工作详细分析了三维微纳尺度下的光-热-电多物理场耦合作用，并利用几何结构变化调控了探测器性能。该自卷曲光热电探测器具备高灵敏度、宽光谱响应范围等优异性能，还具备自驱动、全向探测、偏振成像等特色。随着更多功能材料及三维精细结构的引入，对三维微纳光电器件中的能量转换机制的理解将更加深入，性能也将进一步优化，相应的三维结构器件在片上集成光电系统中将具有更加广阔的应用。