高性能中紅外光電探測器對于光譜學和成像應用來說是非常重要的。然而，對電子帶隙躍遷的固有依賴對可以探測的光子能量設置了基本限制，然而，隨著帶隙的減小，來自熱激發載流子的噪聲增加。為了降低熱噪聲，需要制冷系統，這大大增加了探測器的成本和尺寸，從而限制了中紅外技術的可及性。
光熱電（PTE）探測器是光電二極管的替代技術，支持寬帶光譜響應和室溫操作。這些器件基于光熱電效應工作，因此任何光吸收機制都可以獨立于材料帶隙使用。目前熱門的光學腔結構，通過共振增強吸收并改善光熱電探測器的性能。盡管共振增強型光熱電器件有諸多優勢，但始終存在共同的問題——復雜的器件結構、額外的材料以及復雜的制造工藝。另一方面，光熱電器件憑借其可靠性、獨立于外部電源以及非制冷等特性而獨具吸引力。然而，與光電二極管相比，它們的響應速度和靈敏度低是顯著缺點，這限制了該器件在要求更為苛刻的光譜和成像應用中的應用。碲化銻（Sb?Te?）和碲化鉍（Bi?Te?）是硫化物材料，在室溫下具有可達到1或更高的ZT值，且Sb?Te?是p型半導體，Bi?Te?是n型半導體，分別具有負和正的塞貝克系數，這意味著它們可以組合形成熱電偶對以增強熱電轉換。
因此，光熱電探測器在非制冷中紅外光電探測方面有潛力有望勝過光電二極管，但現有的探測器通常受到間接吸收機制或復雜器件結構的限制。
據麥姆斯咨詢報道，為了解決上述問題，由新加坡科技設計大學（Singapore University of Technology and Design）、南洋理工大學（Nanyang Technological University）、日本東京農工大學（Tokyo University of Agriculture and Technology）、新加坡科技研究局（A*STAR）材料與研究工程研究所（IMRE）、英國伯明翰大學（University of Birmingham）組成的科研團隊開發了一種緊湊型高靈敏的中紅外熱電探測器。通過將中紅外光諧振耦合到Sb?Te?-Bi?Te?熱電結上形成熱電偶，該熱電偶被窄帶中紅外輻射直接加熱，通過Bi?Te?和Sb?Te?材料中光與自由電子的共振增強耦合，可在該熱結處實現近乎完美的吸收。
這項研究成果以“Sb?Te?–Bi?Te??Direct Photo–Thermoelectric Mid-Infrared Detection”為題，發表在Advanced Optical Materials期刊上。
研究人員通過提出一種基于本征光吸收的Sb?Te?–Bi?Te?中紅外光熱電器件來解決光熱電受限問題。利用非對稱的法布里-珀羅類諧振結構，熱電材料同時充當光吸收器和熱電發生器，如圖1a所示。
圖1?Sb?Te?–Bi?Te?中紅外光熱電探測器原理示意圖
這項研究分三個步驟詳細描述了該探測器實現光熱電探測的過程：第一步，確保器件的選擇性光吸收，其中應該在熱電結處吸收較大，在引線處吸收較小。第二步保證熱電結中溫度的大幅升高，可以通過熱隔離來實現。第三步，由于選擇性光熱加熱在器件中建立了溫差，因此根據塞貝克效應產生電壓以對抗載流子的熱擴散。
研究人員主要使用橢圓偏振法測量了熱電材料Bi?Te?和Sb?Te?的中紅外光學特性（如圖2a）。圖2b中透明襯底上的堆疊的模擬吸收光譜表明，對于諧振波長，在熱電結處實現了接近單位的峰值吸收，而在器件的引線中保持了低吸收率。濺射沉積薄膜堆疊的諧振吸收已通過實驗得到證實（如圖2c）。
圖2?熱電材料Bi?Te?和Sb?Te?的光學特性及設計
隨后，研究人員根據圖1b中的尺寸制作了熱電偶。在均勻照明下，以3.6 μm的諧振波長測量未聚焦的中紅外激光源的光響應，連接到該器件重疊結的附加電極，以便測量每個熱電引線的光響應，如圖3a所示。
圖3?Sb?Te?-Bi?Te?熱電偶的光電-熱電表征
除了優化熱特性外，提高光熱電探測器光響應的另一種方法是串聯多個熱電偶，通常稱為熱電堆。為了證明熱電堆的可行性，研究人員制造了由一個、兩個和四個串聯的熱電偶單元組成的器件（如圖4a），圖4b展示了在相同光強度下這三個器件的光響應，較大的熱電堆的光電壓明顯增加。
圖4?Sb?Te?-Bi?Te?熱電堆的性能表征
綜上所述，該Sb?Te?–Bi?Te?中紅外光熱電探測器探測性能高，實現了10.2 V W?1的諧振響應率、1 kHz的帶寬、低熱損耗；通過優化器件設計，顯著提升了其響應速度。這項工作展示了實現高靈敏度、高響應度、寬帶寬、微型化的中紅外探測器及光譜儀的可能。重要的是，該器件非常適合工業生產，有望為化學傳感、醫學以及安全等領域提供應用范圍更廣的中紅外技術。
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https://doi.org/10.1002/adom.202401450
