紅外探測(cè)器在健康監(jiān)測(cè)、安防監(jiān)控與工業(yè)設(shè)備故障預(yù)警等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。隨著探測(cè)技術(shù)向更高維度發(fā)展，單一感知方式已難以滿足復(fù)雜場(chǎng)景需求。因此，將紅外強(qiáng)度、偏振與光譜信息進(jìn)行多維信息融合，對(duì)提升探測(cè)器在場(chǎng)景適應(yīng)性、目標(biāo)識(shí)別精度與功能通用性方面的性能具有重要意義。下一代紅外光電探測(cè)器的研發(fā)需求在于降低尺寸、重量、功耗和價(jià)格（SWaP3），同時(shí)提升其性能。傳統(tǒng)塊體紅外探測(cè)器受限于體積與功耗，且常需外部微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)偏振探測(cè)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。二維各向異性材料（例如黑磷，BP）為實(shí)現(xiàn)小型化偏振探測(cè)器提供了新路徑，但其存在穩(wěn)定性差、偏振消光比低、光譜范圍窄等瓶頸，限制了其在弱紅外熱輻射探測(cè)中的應(yīng)用。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，國(guó)科大杭州高等研究院、中國(guó)科學(xué)院上海技物所和蘇州納米所的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)提出了一種基于砷摻雜黑磷（b-As0.7P0.3）與硒化銦（InSe）異質(zhì)結(jié)的黑體輻射與偏振敏感中紅外（MIR）探測(cè)器。通過(guò)砷摻雜策略，顯著提升了材料的環(huán)境穩(wěn)定性，將探測(cè)截止波長(zhǎng)從3.70 μm擴(kuò)展至4.42 μm，覆蓋了3–5 μm中紅外大氣窗口，并實(shí)現(xiàn)了高達(dá)244的偏振消光比（PER）。該器件在室溫下工作，具備高探測(cè)率與快速響應(yīng)，且在30天空氣暴露后仍保持85%以上的初始性能，展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合探測(cè)能力。上述研究成果以“Stable b-AsP/InSe Mid-Infrared Detector with High Polarization-Sensitivity for Target Feature Discrimination”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials期刊。
該中紅外探測(cè)器基于b-As0.7P0.3/InSe/石墨烯的垂直范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)建。砷摻雜通過(guò)降低氧吸附能，有效抑制了黑磷的環(huán)境降解，提升了器件穩(wěn)定性。異質(zhì)結(jié)形成II型能帶對(duì)齊，在光照下產(chǎn)生光伏效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自供能探測(cè)。b-AsP晶體結(jié)構(gòu)的低對(duì)稱性導(dǎo)致其沿扶手椅（AC）和鋸齒形（ZZ）方向具有顯著各向異性，使得器件對(duì)偏振光具有高度選擇性響應(yīng)。當(dāng)入射光偏振方向與扶手椅軸對(duì)齊時(shí)，光生載流子產(chǎn)生效率最高；而與鋸齒形方向?qū)R時(shí)響應(yīng)最弱，從而實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度的偏振探測(cè)。
圖1 b-AsP/InSe中紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)
研究人員對(duì)所提出的b-AsP/InSe中紅外探測(cè)器的紅外響應(yīng)特性和偏振響應(yīng)特性進(jìn)行了表征，測(cè)試結(jié)果表明，砷摻雜顯著提升了黑磷材料的環(huán)境穩(wěn)定性，將探測(cè)截止波長(zhǎng)從3.70 μm擴(kuò)展至4.42 μm，并實(shí)現(xiàn)了高達(dá)244的偏振消光比。
圖2 b-AsP/InSe中紅外探測(cè)器的紅外響應(yīng)特性
圖3 b-AsP/InSe中紅外探測(cè)器的偏振響應(yīng)特性
最后，研究團(tuán)隊(duì)成功演示了該探測(cè)器在非色散紅外（NDIR）多氣體探測(cè)與偏振熱成像中的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)探測(cè)4.26 μm處的CO2吸收峰，實(shí)現(xiàn)了64.7 ppm的檢測(cè)限，并可同時(shí)識(shí)別甲烷、一氧化碳等多種氣體，適用于火災(zāi)預(yù)警與環(huán)境監(jiān)測(cè)。在偏振成像方面，通過(guò)計(jì)算線偏振度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)弱熱輻射目標(biāo)的高對(duì)比度成像，能夠清晰分辨熱管內(nèi)加熱絲的形態(tài)細(xì)節(jié)，成像效果優(yōu)于商用熱像儀。該器件兼具氣體探測(cè)與偏振成像功能，為下一代多維集成紅外探測(cè)系統(tǒng)提供了技術(shù)范例。
圖4 b-AsP/InSe中紅外探測(cè)器的紅外弱目標(biāo)探測(cè)演示
綜上所述，這項(xiàng)研究通過(guò)砷摻雜黑磷與硒化銦異質(zhì)結(jié)的合理設(shè)計(jì)，成功研制出具有高偏振靈敏度、寬光譜響應(yīng)與良好穩(wěn)定性的中紅外探測(cè)器。通過(guò)在氣體傳感與偏振成像方面的成功演示，展現(xiàn)了所提出的b-AsP/InSe中紅外探測(cè)器在無(wú)人機(jī)載傳感、化工安全監(jiān)測(cè)、森林防火等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為新一代小型化、多功能紅外探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展奠定了材料與器件基礎(chǔ)。
論文鏈接：
