导读

近日，来自复旦大学材料科学系的黄高山教授团队利用自卷曲技术将碲纳米薄膜从衬底分离并组装成管状自驱动光探测器，揭示了器件中的光、热能量局域以及三维尺度下的光-热-电转换机制，实现了宽带光探测及灵敏度提升，为多维度光电探测提供了有效的解决方案。相关研究成果以“Enhanced photothermoelectric conversion in self-rolled tellurium photodetector with geometry-induced energy localization”为题，发表于《Light: Science & Applications》。复旦大学硕士生黄嘉媛为论文的第一作者，复旦大学黄高山教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海科学技术委员会“科技创新行动计划”等项目的支持。

研究背景

光热电效应，包括光-热转换和热-电转换两个能量转换过程。在相应的光热电探测器中，入射光吸收可引起局部温度差，并进而在热电材料中形成电势差实现光探测目的。

为了实现更高性能的光热电探测，有效地局域光能、热能以实现高效的光-热-电能量转换至关重要。然而，由于衬底的影响，微纳尺度下器件性能提升及多物理场耦合作用机制的研究具有较大的挑战性。在片上集成器件向三维空间发展的趋势下，三维微纳器件的构效关系也需要详细探索。因此，利用纳米薄膜剥离组装技术将功能材料薄膜与衬底分离，构建独立的三维微纳结构，实现光、热能量局域，将为上述研究提供极大助力，也将为相应器件的实用化奠定重要基础。

三维结构的能量局域效应

本工作中选用碲（Te）纳米薄膜作为光热电活性材料，应用自卷曲纳米技术，利用纳米薄膜纵向内应变梯度，将从衬底释放的纳米薄膜组装成三维卷曲结构。图1a展示了基于三维自卷曲纳米技术设计制备的光热电探测器结构及工作原理。利用自卷曲纳米技术将薄膜与衬底脱附后，光场能量被局域在具有较高折射率的碲纳米薄膜中，仿真模拟结果如图1b所示。光能被功能材料吸收产生的热量被局域在悬空的三维管壁中，产生更大的温度差，因此在热-电转换中产生了更大的电势差。实验结果进一步验证了独立于衬底的三维结构中能量局域效应对光探测性能提升的显著效果。对于相同的功能薄膜，管状探测器的自驱动光生电压比平面探测器实现了307倍的提升，如图1c所示。

图1：自卷曲光热电探测器的结构及能量局域。(a) 自卷曲光热电器件的结构和工作原理；(b) 光激发下的器件中的电场分布模拟结果；(c) 940 nm 激光脉冲照射下管状探测器和平面探测器的光生电压-时间关系曲线。

三维结构对光探测的影响

本工作改变入射光照射位置进一步验证了自卷曲探测器中的光-热-电效应及其位置依赖关系。当照射点沿轴向偏离中心位置时，在自驱动器件中产生相反方向的光生电流（图2a）。若沿垂直于轴的方向改变入射位置，测试表明当光从顶部沿直径入射时，卷曲探测器的光响应最佳。图2b所示为自卷曲光热电器件中入射光位置与光生电流强度、方向的映射关系，验证了三维器件中光-热-电多能量之间的耦合与转换。

图2：自卷曲探测器的光热电效应验证。a. 器件扫描电镜照片及空间坐标系，以及入射光位置依赖的自驱动器件光生电流示意图；b. 光生电流的位置依赖关系的实验结果。

由于光热电探测器是通过吸收入射光引起的局部温度差输出电信号，其响应波段理论上不受材料带隙的限制。本工作中所得到的自卷曲光热电探测器也被证实能够实现从可见光到长波红外超宽波段范围的自驱动光探测。利用探测器卷曲圈数的调控，可以进一步优化自驱动光探测器的性能。

全向探测与偏振成像

得益于管状探测器特殊的三维几何构型，自卷曲光热电探测器展现了优异的多维度信息探测能力。如图3a所示，自卷曲探测器展现了极佳的广角探测能力。此外，由于三维管状结构柱对称特性，探测器对电场方向平行于管轴方向的偏振光有更好的响应。自卷曲光热电探测器通过单像素传感实现了还原度极佳、分辨率极高的偏振成像，如图3b所示。该结果验证了自卷曲光热电探测器具备强度、偏振方向多维度探测能力。

图3：自卷曲光热电探测器的全向探测与偏振成像。(a) 卷曲探测器的广角探测能力示意图及角度分辨的光生电压测试结果；(b) 在偏振方向与管轴夹角为0°和90°情况下自卷曲器件的成像结果。

总结与展望

本工作利用与成熟半导体技术兼容的三维自卷曲纳米技术结合热电功能材料设计制备了新型自卷曲三维光热电探测器。三维管状结构有效地提高了光吸收和热局域作用，并利用光、热能量局域增强了光-热-电转化。本工作详细分析了三维微纳尺度下的光-热-电多物理场耦合作用，并利用几何结构变化调控了探测器性能。该自卷曲光热电探测器具备高灵敏度、宽光谱响应范围等优异性能，还具备自驱动、全向探测、偏振成像等特色。随着更多功能材料及三维精细结构的引入，对三维微纳光电器件中的能量转换机制的理解将更加深入，性能也将进一步优化，相应的三维结构器件在片上集成光电系统中将具有更加广阔的应用。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01496-0