近日，天津大学太赫兹研究中心、美国俄克拉荷马州立大学、美国圣母大学联合提出了一种基于光控聚合物-硅异质结的太赫兹空间光调制器，引入有机物-半导体分界面提高光生载流子的积累和改变硅基底厚度有效缩短器件的载流子寿命，实现了高调制深度和快调制速率的兼容。在此基础上，结合单像素成像技术，实现了视频帧率的单像素压缩成像。相关研究成果以“Photoactive Polymer-Silicon Heterostructures for Terahertz Spatial Light Modulation and Video-Rate Single-Pixel Compressive Imaging”为题发表于期刊《Advanced Functional Materials》。
太赫兹波具有非电离、独特指纹谱以及对非极性材料高穿透的特性。为了获取目标的特异性信息，传统的太赫兹成像技术依赖高灵敏度的单点探测器进行光栅扫描。然而，成像时间受到机械运动精度和速度的限制。单像素成像技术，通过引入一系列空间编码图案并记录太赫兹响应的时域信号，利用成像算法重构物体的图像，实现非扫描成像。到目前为止，已有多种主动式的空间光调制器被提出，包括机械旋转、电控和光控等。基于金属掩模和电控超材料的两种方法都不适用于近场成像，导致分辨率仍受限于衍射极限。光控的太赫兹空间光调制器可以动态调整每个像素的大小和像素数量，并且主要分为光泵浦非线性晶体和半导体两类。但是，如何实现兼容高调制深度和调制速率的太赫兹空间光调制器仍然是一个挑战。
（一）调制深度和调制速度
得益于光伏材料和二维材料领域的发展，在低光照条件下，有机聚合物薄膜与无机半导体的结合相比纯无机半导体展现出更高的量子效率。在本研究中，厚度约100 nm的聚合物薄膜通过旋涂方式沉积在高阻抗硅片上，形成了聚合物-硅异质结，用作太赫兹光开关，如(图1(a))所示。样品制备完成后，聚合物薄膜会对硅表面进行化学钝化，在聚合物-硅分界面处产生静电效应，导致能带弯曲，进而影响硅的表面态密度。半导体导带与有机材料能级之间的能带对准不匹配，因此能带的弯曲会驱使半导体中光激发层中的自由载流子向聚合物-硅分界面移动。表面态密度的降低显著缩减界面处的电子-空穴复合速率。由于聚合物的载流子迁移率比硅低几个数量级，载流子会在聚合物-硅界面处聚集，从而在连续光泵浦下即可表现出高调制深度，如(图1(b))所示。
聚合物-半导体分界面的引入固然提高了调制深度，但同时也带来了另一种负面效应。分界面处电子和空穴较慢的复合速度导致载流子寿命变长，直接影响太赫兹光开关的调制速率。由于光激发层的厚度（≈ 1 μm）占衬底硅厚度的比例非常小，需要考虑载流子的扩散运动。在硅厚度接近载流子扩散深度的情况下，减少半导体内部未激发层的厚度会增加到达硅后表面的载流子数量，从而通过增强硅后表面在载流子复合来提高整体复合速率。随着器件厚度的逐渐减小，异质结的物理厚度将小于载流子的理论扩散深度。因此，通过减小半导体的物理厚度来提高后表面载流子的复合，可以有效地缩短器件整体的有效载流子寿命，如(图1(c))所示。在低光照射下表现出高调制深度和快速调制速率，这对于太赫兹光开关和太赫兹空间光调制器至关重要。
图1. 太赫兹空间光调制器。(a)光控的聚合物-硅异质结。(b)光泵下的调制深度。(c)在泵浦光开启和关闭状态下，太赫兹波透过率随时间的变化。
（二）太赫兹单像素成像系统及其应用
如图(2(a))所示，太赫兹波被太赫兹空间光调制器用一系列已知图案依次编码，探测器同步记录透射物体的太赫兹信号。泵浦源和探测源均为连续源，是实时成像的前提条件。为了研究载流子寿命对太赫兹空间光调制器调制速率的影响，当数字微振镜切换速率增加时，调制深度也保持稳定，这表明异质结中载流子的复合速率快于振镜的切换速率。太赫兹空间光调制器在振镜25 kHz下的调制深度仅比其他速率下的调制深度低7%，如图(2(b))所示。如图(2(c))所示，信噪比随数字微振镜开关速率的增加而降低的原因主要是由于随着检测信号重复频率的增加，太赫兹探测器的噪声电压随之增加。
图2. 太赫兹单像素成像。(a)成像系统示意图。(b)太赫兹探测器电压在不同振镜切换速率下随时间的变化。(c)对金属十字架近场成像的信噪比。
欠采样技术一直广泛应用于单像素成像领域中，压缩感知的重建算法允许根据实时成像的需求减少测量次数和数据采集量，如图(3(a))所示。为了验证本单像素成像系统的应用，我们对微流控芯片进行了成像，并跟踪芯片中水含量的变化，如图(3(b))所示。
本研究表明，聚合物-硅异质结构引入了有机物-半导体分界面，从而诱导能带弯曲和载流子迁移。由于表面态密度降低，大量载流子将在界面处积累。因此，在连续光泵浦下，聚合物-硅异质结构展现出比裸硅更高的调制深度。对于载流子寿命延长带来的负面影响，减小硅的物理厚度是改善异质结载流子寿命的有效方法。由于具备优异的调制深度和速率，聚合物-硅异质结可应用于太赫兹单像素成像。目前已实现了32×32像素的超分辨成像(λTHz/7）。在无压缩感知下，视频帧率(25帧/秒)的16×16像素成像，分辨率为(λTHz /3.5)。此外，应用于微流控芯片成像，突出此成像技术在生物分析和生物医学领域应用的潜力。
该工作得到了国家自然科学基金重点项目的支持。天津大学博士生梁家轩和张佳琦博士为共同第一作者，天津大学田震教授、美国俄克拉荷马州立大学张伟力教授和美国圣母大学Ranjan Singh教授为该工作的共同通讯作者，天津大学博士生王郅皓、王瑞寅硕士和姚志博博士亦对本工作做出了重要贡献。
文章链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202422478
