圖1.實驗結果進一步驗證了該自卷曲管狀碲基探測器(Self-rolled Tubular Tellurium-based Detector,下稱TTD)對光探測性能提升的顯著效果

2024年7月，復旦大學材料科學系梅永豐/黃高山課題在光學重要期刊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，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動光探測器，揭示了器件中的光、熱能量局域以及三維尺度下的光-熱-電轉換機制，實現了寬帶光探測及靈敏度提升，為多維度光電探測提供了有效的解決方案。

局域光能和熱能以實現高效的光熱電轉換對于高性能光熱電探測至關重要。但微納尺度器件在多物理場耦合作用下的研究，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，三維微納器件的構效關系需深入探究。利用納米薄膜剝離技術構建獨立的三維微納結構，可以有效局域光熱能量，為器件實用化提供重要支持。

測量方法與部分實驗結果

研究團隊采用光熱電活性材料，并通過自卷曲納米技術，利用納米薄膜的縱向內應變梯度，將從襯底脫離的納米薄膜重新組裝成三維卷曲結構(圖1a)。這種結構由于諧振效應，能夠將光場能量集中于懸空的三維管壁中(圖1b)，導致更大的溫差，進而在熱電轉換過程中產生顯著的電勢差。實驗結果進一步驗證了該自卷曲管狀碲基探測器(Self-rolled Tubular Tellurium-based Detector,下稱TTD)對光探測性能提升的顯著效果，自驅動光生電壓實現了307倍的提升。

團隊深入探究了自卷曲探測器中的光熱電效應及其位置依賴性。圖2(a-b)展示了自卷曲光熱電器件內入射光的位置與產生的光生電流強度和方向之間的映射關系，從而證實了三維結構中光-熱-電的耦合與轉換效率。圖2(c)展示了在不同波長的激光照射下，TTD的自驅動光生電壓(Vph)與入射光功率密度(Pλ)之間存在良好的線性關系，這證實了TTD在寬波長范圍內對光的敏感性和自驅動光探測能力。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達到了252.13 V W?1，這是一個非常高的值，表明TTD在該波長下的光熱電轉換效率非常高。綜上所述，TTD展現了其在從可見光到長波紅外的超寬波段范圍內實現自驅動光探測的能力。TTD的自驅動特性意味著它可以在無需外部電源的情況下工作，這為便攜式和遠程光探測應用提供了便利。

圖2. 自卷曲探測器的光熱電效應驗證：a-b. 研究所用空間坐標系，以及光生電流的位置依賴關系的示意圖和實驗結果;c-d. 多波長激發(fā)下入射光功率與自驅動光生電壓，電壓響應度關系曲線。

本研究中所有光響應測量結果，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、Keysight B2902B 和 鎖相放大器(OE1022)測量。

總結

本項研究采用了三維自卷曲納米技術，并結合了熱電功能材料，成功設計并制造了新型的自卷曲三維光熱電探測器。該三維管狀結構顯著增強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-電轉換效率。該自卷曲光熱電探測器不僅具有高靈敏度和寬光譜響應范圍，還具備自驅動、全向探測和偏振成像等獨特功能，預示著其在片上集成光電系統(tǒng)中的應用潛力巨大。

審核編輯 黃宇