紅外探測技術在從分子指紋識別到下一代無線通信系統等諸多應用領域中發揮著核心作用。然而，由于該光譜范圍內的光子能量較低，開發高靈敏度非制冷紅外光電探測器仍然面臨挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，由日本京都工藝纖維大學、日本中央大學與日本產業技術綜合研究所（AIST）組成的研究團隊成功開發出了一種采用具備不同電學特性的p型（導電載流子主要為空穴）與n型（導電載流子主要為電子）的半導體碳納米管（CNT）構成的高靈敏度光熱電紅外探測器。由于可利用能穿透衣物和塑料的紅外光實現內部結構的非破壞性觀察，該紅外探測器有望廣泛應用于安全檢查、品質管理、醫療診斷、新一代通信等多個領域。相關研究成果以“Synergistic Plasmonic-Thermoelectric Enhancement in Semiconducting Carbon Nanotubes for Infrared Light Detection”為題發表在Small Structures期刊上。
研究團隊高純度地分離出半導體單層碳納米管，并進一步將其組合成由化學方法控制為電性質不同的p型和n型薄膜。該紅外探測器工作原理為紅外光通過碳納米管中電子的集體振動（等離激元共振，即具有強烈吸收特定光并轉化為熱能的性質）被高效吸收并轉化為熱能，導致局部溫度升高；然后利用將這種溫差轉換為電信號的“熱電效應”進行工作。與既往含金屬型碳納米管的材料相比，靈敏度提升了約11倍。
圖1 基于碳納米管的光熱電（PTE）紅外探測的工作原理及演示
該成果被認為得益于半導體碳納米管優異的熱電性能（將熱能轉化為電能的能力），以及其通過等離激元共振強烈吸收紅外光并高效升溫的特性。
此外，研究還發現，通過化學摻雜處理，可減少熱量散失，從而產生更大的溫度差。研究團隊表示，同時調控等離激元共振、熱電性能、摻雜這三種特性，是實現紅外探測器高靈敏度的關鍵。
圖2 摻雜半導體碳納米管薄膜在2.52 THz處的吸收率，以及吸收率與功率因子（PF）平方根的歸一化乘積。
未來，研究團隊將面向未來可穿戴器件等實際社會應用，持續推進相關的應用研究。日本京都工藝纖維大學野野口副教授表示：“本研究通過采用半導體碳納米管，實現了無需冷卻的高靈敏度紅外探測。由于能夠獲得高電壓輸出，未來有望推動探測器件的小型化與便攜化。今后，我們將在推進產學合作的同時，以大學為主體，持續致力于實現更高靈敏度與更廣泛的應用拓展。”
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/sstr.202500834
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