電荷密度波（CDW）作為凝聚態(tài)物理中典型的電子集體有序態(tài)，憑借電子-聲子耦合誘導(dǎo)的周期性晶格畸變，可在費米能級附近打開贗能隙，對紅外低能光子具有極高的激發(fā)靈敏度。CDW體系的集體量子凝聚特性能夠顯著增強光生載流子輸運效率，為室溫、低功耗紅外探測提供全新物理機理。其中鈮/鉭-碲（Nb/Ta-Te）二元化合物包含一維鏈狀NbTe?、TaTe與二維層狀NbTe?、TaTe?兩類典型低維晶體，兼具半金屬本征寬帶吸收特性與穩(wěn)定CDW有序相變，是極具潛力的紅外光電探測候選材料。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，東華大學(xué)、國科大杭州高等研究院和中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的研究團隊系統(tǒng)探究一維/二維Nb/Ta-Te單晶的結(jié)構(gòu)物性與中長波紅外光電響應(yīng)特性。研究證實該類材料均以光熱電效應(yīng)為主導(dǎo)，實現(xiàn)零偏壓自供電探測；在4 μm、8.47 μm典型中長波紅外波段實現(xiàn)10? Jones量級超高比探測率，同時結(jié)合人工智能超分辨率重建技術(shù)，提升了單像素紅外超分辨成像質(zhì)量，為下一代室溫低功耗中長波紅外探測系統(tǒng)提供了新思路。相關(guān)研究成果以“Semimetallic Nb/Ta-Te phases with charge density wave for mid- and long-wave infrared detection”為題發(fā)表在Nano Research期刊上。
Nb/Ta-Te CDW材料制備及表征
研究人員采用化學(xué)氣相輸運法精準制備高純度NbTe?、TaTe?、NbTe?、TaTe?單晶，以高純Nb、Ta、Te粉末為前驅(qū)體，碘單質(zhì)作為氣相輸運劑，密封石英管置于雙溫區(qū)管式爐中精準控溫生長。圖1展示了Nb/Ta-Te二元體系的合成、晶體結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)光學(xué)性質(zhì)。
圖1 Nb/Ta-Te二元體系的合成、晶體結(jié)構(gòu)及基本光學(xué)性質(zhì)
為深入研究一維NbTe?與TaTe?晶體的紅外光電響應(yīng)特性，研究人員制備了金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）結(jié)構(gòu)的雙電極器件，并系統(tǒng)探究了其在零偏壓、4 μm和8.47 μm光照條件下的空間分辨光電流響應(yīng)，相關(guān)器件結(jié)構(gòu)和測試結(jié)果如圖2所示。測試結(jié)果顯示了該光電探測器的中紅外光電響應(yīng)機制為光熱電效應(yīng)（PTE），排除光電導(dǎo)、光伏效應(yīng)的主導(dǎo)作用。
圖2 一維NbTe?和TaTe?晶體的空間分辨光電流特性
圖3 二維NbTe?和TaTe?晶體的空間分辨光電流特性
Nb/Ta-Te基光電探測器的光電性能
研究人員系統(tǒng)地評估了基于Nb/Ta-Te系列單晶制成的光電探測器的各項關(guān)鍵性能參數(shù)，包括響應(yīng)時間、探測率、響應(yīng)度以及穩(wěn)定性。這些評估有助于全面了解這些光電探測器在中長波紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，相關(guān)測試結(jié)果如圖4所示。
圖4 NbTe?光電探測器的性能
單像素紅外成像及智能應(yīng)用拓展
研究人員基于Nb/Ta-Te自供電探測器搭建單像素紅外成像系統(tǒng)，通過逐點掃描采集光電流信號重構(gòu)目標圖像；同時引入U-Net深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)開展超分辨重建，相關(guān)成像結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，模型訓(xùn)練準確率達96.4%、損失值低至0.035，可顯著提升低分辨成像細節(jié)清晰度，實現(xiàn)文字、植物、景物等目標的高保真重構(gòu)，突破傳統(tǒng)單像素成像分辨率瓶頸。
圖5 單像素紅外成像的超分辨率重建
最后，研究人員還拓展兩大實用場景：一是自動駕駛紅外感知，通過超分辨成像與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)場景識別，實現(xiàn)道路擁堵、行人避讓、慢速通行等智能決策；二是紅外光通信，基于1550 nm紅外激光調(diào)制，成功實現(xiàn)莫爾斯“SOS”編碼信號的發(fā)射與解碼，證明器件在紅外通信領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。該體系打通材料-器件-算法-應(yīng)用全鏈條，為智能紅外感知系統(tǒng)提供新方案。
圖6 面向自動駕駛的智能紅外感知方案
https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908526
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