Advanced Science：硫化物超表面实现从可见到中红外的超宽带探测器- 大数跨境

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Advanced Science：硫化物超表面实现从可见到中红外的超宽带探测器

两江科技评论

2025-02-26

导读：近日，新加坡科技研究局（A*STAR）与新加坡科技设计大学（SUTD）Dong Zhaogang课题组提出了一种基于硫属化物Sb2Te3超表面的超宽带光探测器，能够在可见光至中红外范围内高效工作。

欢迎课题组投递中文宣传稿，投稿方式见文末

导读

近日，新加坡科技研究局（A*STAR）与新加坡科技设计大学（SUTD）Dong Zhaogang课题组提出了一种基于硫属化物Sb₂Te₃超表面的超宽带光探测器，能够在可见光至中红外范围内高效工作。通过设计和制造Sb₂Te₃超表面结构，研究实现了高达97%的共振吸收，显著提升了光探测性能。不同于传统受带隙限制的光探测器，该工作利用Sb₂Te₃的等离子体共振和Mie共振特性，并结合其高热电Seebeck系数，实现了单一材料平台下的宽光谱探测。该项研究成果以“Chalcogenide Metasurfaces Enabling Ultra-Wideband Detectors From Visible to Mid-infrared”为题发表于国际期刊Advanced Science。新加坡科技研究局首席科学家、新加坡科技设计大学Dong Zhaogang教授为该研究工作的第一通讯作者，共同通讯作者有新加坡科技设计大学Joel K.W. Yang教授，南洋理工大学Wang Qi Jie教授以及伯明翰大学Robert Edward Simpson教授，课题组博士生张书涛以及研究员安舒为论文的共同第一作者。

研究背景

超表面由亚波长纳米结构组成，可精确调控光与物质的相互作用，被广泛应用于超薄透镜、彩色像素、防伪、光学非线性和光探测等领域。尤其在光探测方面，集成半导体超表面的微型光探测器可感知光的波长、偏振和角度，但通常受带隙限制，仅适用于特定光谱范围，如可见光、近红外或中红外。相比之下，基于热电效应的光探测具有宽光谱响应的天然优势。例如，铝等离子超表面集成到光-热电（PTE）探测器上，可增强可见光和近红外光的吸收。然而，现有热电材料（如MoS₂、WSe₂、PdSe₂）的光吸收率较低。此外，基于Bi₂Te₂Se-Sb₂Te₃的热电探测方案大多局限于可见光范围，部分研究虽利用光学腔实现中红外探测，但整体而言，当前热电探测器的光谱覆盖范围仍然有限。因此，如何突破现有热电材料的吸收率限制，并拓展光探测器的光谱范围，使其能够在更宽的波长范围内高效工作，仍然是一个亟待解决的问题。

研究亮点

本研究设计了一种基于Sb₂Te₃纳米结构的热电光探测器，利用其独特的光学和热电特性，实现了宽光谱范围内的高效探测。该探测器采用Sb₂Te₃条带结构，一端集成超表面以增强光吸收，从而在光照下形成温度梯度，产生可测量的电压差。通过设计不同结构参数的Sb₂Te₃纳米结构，可以实现对特定波长的共振吸收，覆盖比传统带隙受限光电探测器更广的光谱范围（如图1所示）。在可见光范围（300-760 nm），Sb₂Te₃表现出等离子共振特性，其中532 nm处的共振吸收达到峰值，并伴随局部电场增强，提高光吸收效率。在中红外范围（2-10 μm），由于其高折射率（5.7-6.5），Sb₂Te₃表现出米氏共振（Mie Resonance），在5.8 μm处形成高Q因子共振，增强光局域性。此外，底部150 nm厚的Sb₂Te₃基底层不仅用于电导，还引入了Fabry-Pérot（FP）共振，与米氏共振协同作用，提高整体吸收效率并拓宽工作带宽。

图1 Sb₂Te₃超表面由于共振吸收从可见到中红外光谱实现超宽带光电探测器

Sb₂Te₃纳米结构通过等离子共振（532 nm处）增强局部电场，提高光吸收率，实验测得吸收率达97%。热场模拟显示，超表面结构可使温差提升至6.0 K，而未结构化的Sb₂Te₃仅为1.0 K。电势分布模拟表明，超表面可增强电势梯度，提高热电转换效率。实验测得具有超表面的探测器在532 nm激光照射下产生2.4 mV光生电压，响应度达24 V/W，比无超表面器件（6.5 V/W）提升4倍，外量子效率（EQE）约56%。光斑位置迁移实验进一步验证了超表面对热电响应的增强作用（如图2所示）。

图2 基于可见波长带间等离子体的Sb₂Te₃超表面光电探测器

为了验证中红外范围的Mie-FP共振，利用Sb₂Te₃的高折射率，制备了波长选择性热电探测器（如图3所示）。通过纳米加工，Sb₂Te₃超表面集成至PCB电路板，实现了结构优化，探测器的局部超表面增强吸收，提高温差并提升电压输出。仿真表明，该超表面在5.3 μm处吸收最强，温度梯度达0.35 K/μm，实验测得5.9 μm处吸收率达60%。光电测试结果显示，该探测器在5.5 μm波长下电压响应最高（300 μV），对应响应度67 V/W，外量子效率30%，响应速度160 ms。光生电压与入射功率呈线性关系。

图3 Mie和Fabry-Pérot (FP)腔杂化共振的Sb₂Te₃中红外光电探测器

最后探讨了Sb₂Te₃高折射率在偏振敏感光探测中的应用，采用粒子群优化（PSO）算法优化矩形阵列结构，并保留150 nm厚的基底层。仿真结果显示，该结构在4.5 µm处存在明显吸收差异，且在0°偏振下的电场与吸收强度均高于90°偏振。实验制备的Sb₂Te₃超表面偏振探测器表现出良好的阵列形貌，测得的偏振吸收光谱与设计一致。光电测量表明，0°偏振光的光生电压比90°偏振高8%。进一步测试不同激光波长（4.5、4.8、5.5、6.0 µm），发现4.5 µm激光具有最高偏振灵敏度，与实验测得的超表面吸收结果吻合。研究表明，通过设计不同的Sb₂Te₃超表面结构，可在室温下实现中红外波长和线偏振选择性吸收，为高维光信息探测提供新思路。

图4 线性偏振灵敏的Sb₂Te₃中红外光电探测器

总结与展望

本研究利用锑化碲（Sb₂Te₃）的光学和热电特性，设计了室温下运行的超宽带超表面光热电探测器。通过研究其在可见光波段的等离子共振吸收和在中红外波段的Mie共振吸收，优化了光吸收能力，实现最大吸收率约97%（532 nm）。此外，该超表面器件还可用于线偏振选择性光探测。研究结果表明，结合热电效应和纳米光学设计可实现高效、宽谱光探测。未来，可进一步优化纳米结构设计，提高器件稳定性和探测灵敏度，推动超表面热电探测技术在光通信、红外成像及高灵敏度传感等领域的应用。