Light | 混合狄拉克半金属光电探测器

注：本文由论文作者（课题组）投稿

红外光电技术经过 70 多年的发展，从最初的单一强度的像素探测到现在光子智能化探测与极限灵敏度探测在探测器规模、集成方式以及探测谱段都实现了飞跃，如多谱段/高光谱成像、百万像素级的先进焦平面与智能处理技术等，服务于环境资源、空间科学、智慧城市等领域建设。

随着环境多样化、隐蔽目标特征复杂化，短波红外光子受环境干扰大，拓展红外探测波长范围覆盖 30 微米至 3000 微米的电磁频谱探测亦是突破传统短波红外强度表层探测对物质深层次多维信息“CT”功能探测瓶颈的重要手段，对复杂环境抗干扰、目标特征识别、精细光谱与安全反恐等能力的提升具有战略意义，并成为当前研究解决的重点方向。

然而，既有红外探测材料与器件受限于本征暗电流与工作温度主要围绕20微米波段以下工作，在波长拓展面临着巨大的原理性和系统性(制冷、功耗、体积、质量等)挑战。为此，亟需探索新兴的材料与器件结构体系，满足具备室温、低功耗、小型化、长波探测等特点的小型化器件技术以应对复杂环境下的智能化装备的多种功能用途需求。

近日，来自中国科学院上海技术物理研究所的王林、陈效双、陆卫研究团队在 Light: Science & Applications 以 Hybrid Dirac semimetal-based photodetector with efficient low-energy photon harvesting 为题在线发表论文。

该团队报道了一种基于 II 类 Dirac 半金属硒化铂 (PtSe₂) 的光电探测器，集成超短沟道天线、非对称接触电极和范德华异质结等微纳工艺，在超强电磁耦合功能基础上在室温下可实现对低能光子信号的高频整流以及物体内部进行了类似CT的扫描成像，展示了微纳量子结构在光电探测系统复杂特征信息检测中极具活力的应用前景。

1. “纳米尺度光场聚焦与室温探测转换双重功能”：狄拉克半金属的耦合非对称宽带探测器  

相对于短波红外，长波光子具有更强的穿透能力，特别对于复杂环境具有更强的抗干扰能力，如入“无人之境”，可对物质深层信息进行充分挖掘。

然而，传统光子探测器受材料带隙限制的本征暗电流极限、光吸收或倍增区面积受限、波长匹配极限等问题束缚所导致的量子效率、探测率和工作温度瓶颈，使得光电系统在体积、质量、功耗等综合运用能力方面存在劣势并限制了智能化光电系统的普适性。

为此，发展新型的具备优异量子态特征且具备高效低能量光子接收与转换的器件原理，实现室温下器件小型化与多功能对于长波谱段探索人类未知领域与新型频谱资源利用具有重要科学实际意义。

低维结构物态的多样性与可操控性为形成具备新型光电功能器件带来了新的机遇，其中狄拉克半金属具有非平庸的第二类狄拉克锥结构，由于强的自旋-轨道耦合形成电子-空穴费米面共存的倾斜狄拉克锥，且通过时间或空间反演操纵产生手性费米子、反常光电性质等，从多个维度进行低能量子态的新型行为调控，促进匹配低能光子态的俘获和光电转换集成化。

“红外-太赫兹低能光子与低维材料存在五个量级尺度上的差距，通过传统光子的粒子激发探测与波长匹配的光敏面吸收区在光电信号分离中是不切实际的，通过理论和实验发现纳尺度范围的电磁等离激元效应可实现光子态密度数量级的增强极大地促进了拓扑半金属非平衡态的激发放大。”该论文第一及通讯作者、上海技物所启明星研究员王林介绍说：“基于纳米尺度的电磁模态与新型狄拉克电子行为特征的有效组合，实现了 1 到 100 的功能放大效果，在满足高工作温度的前提下，有效降低器件尺寸、暗电流并克服纳尺度高速转换的集成化问题。”

2. “低功耗长波探测与成像”：狄拉克半金属混合集成探测  

传统意义来说，Gapless 半金属结构由于自身低电阻会带来热噪声或暗电流噪声不利于信号分离，因此需要降低电场下噪声水平。

超亚波长结构在解决近场耦合能力的同时在几何结构上引入内部非对称元素，从而可增强光子作用概率与非平衡态的动量取向，在带宽提升的同时促使载流子有效分离。与传统半导体 P-N 结或范德华异质结架构所不同的是低能激发过程是在自身电磁动量操控实现信号整流，是基于多数载流子的耦合效应，特别对于无空间反演对称原子结构其本征光电具备类二极管的传输能力，从而避免了传统电荷输运少子扩散、隧穿等暗电流本征极限问题。此外，PtSe₂ 类拓扑狄拉克半金属具备 vdW 晶格属性可通过低界面势垒的半金属异质结实现非平衡态的热发射转换，通过能带匹配实现优于当前肖特基二极管太赫兹探测的阻抗与频率范围。

“这种复合的异质集成能力颠覆了传统探测模式在波长拓展中的困难，对填补低能光子探测特别在太赫兹频段光电技术的空白具有重要意义，展示了狄拉克态及材料结构在实现量子裁剪功能的新型光电器件的巨大优势，积极促进了未来复杂环境下穿透识别、人工智能物联网、通讯感知一体化等小型化智能平台对太赫兹电磁频谱资源的利用。”上海技物所研究员陈效双介绍说。

3. “战疫-安检双重特点”：太赫兹毫米波成像仪  

自 2020 年初新冠疫情爆发以来，全球已有超过 600 万人被无情地夺去生命。伴随着我国客运站和机场客流量的逐年递增，疫情防控和安全检查变得同等重要。

目前，红外体温测量方式仅能测量暴露皮肤表层温度，其易受环境温度影响，造成结果错误，使异常体温人员进出站导致防控失效。因此，研究更便捷、更快速、更精确的体温检测设备变得至关重要。

得益于太赫兹毫米波的指纹识别性、高透性、低能辐射性等特点，高性能太赫兹探测器可以实现对衣物的穿透成像，从而得到人体的真实温度同时实现无接触识别，减少环境影响，大大提高设备的精度。此外，太赫兹探测器还可以对易燃易爆品、毒品等物质进行快速无损检测与成像，从而实现安全检查功能。

上海技物所研究员陆卫补充说到, 随着太赫兹探测光电技术的进一步发展，具备双重或多重复合成像特点的主被动结合的红外-太赫兹毫米波成像仪是未来发展新的趋势，狄拉克半金属光电探测混合集成的优点为多模融合成像在测温、安检的双重功能实现提供了新的可能。

太赫兹毫米波的探测与成像正处于蓬勃发展的关键时期。虽然现有的探测器距离市场应用还有一段距离，但随着它们在军事和民用领域的迫切需求，相信终有一天它们会无处不在。

论文信息  

Wang, L., Han, L., Guo, W. et al. Hybrid Dirac semimetal-based photodetector with efficient low-energy photon harvesting. Light Sci Appl 11, 53 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00741-8

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