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基于MIT材料的近红外光电探测器

微波工程仿真

2025-01-12

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研究背景

光电子技术已与我们现代生活的许多方面密不可分，其中包括光通信、显示器、智能手机红外探测和制导以及医疗诊断。在自动驾驶、人工智能和光互连网络等新兴领域，对光电器件的需求异常旺盛，而这些领域对未来的6G通信技术至关重要。尤其值得关注的是，C波段(1530-1565nm)高性能近红外(NIR)光电探测器的开发，该波段在光纤中的传输损耗最低，被广泛应用于光通信领域。高灵敏度可提高探测超低光强的能力，这对良好的夜视性能至关重要。低延迟可确保即时数据传输，这对运动检测系统的安全性和效率至关重要。此外，为了支持广泛而可靠的信息收集，配备了大量近红外传感器的物联网设施需要更节能的传感模块，以解决功耗和散热问题。然而，很少有研究调查了电极材料与光热电(PTE)近红外探测器性能之间的耦合关系，尤其是与莫特氧化物中的相变有关的耦合关系。

PTE 探测器利用了光热转换和热电效应原理。与传统的光电二极管或光电倍增管不同，PTE探测器不需要冷却装置或外部偏压，因此感应噪声水平相对较低，信噪比更高。量子莫特氧化物(如氧化钒(VO₂))中的光场诱导金属-绝缘体转变(MIT)是这一应用的有力候选者。VO₂ 具有较低的阈值强度，并能通过较小的偏置电压进行有效调节，为实现低功耗近红外检测和可调制的超线性光响应提供了一种独特的方法。然而，对于基于VO₂的窄带双端或异质光电探测器来说，由于高本征电导和操作偏压，在绝缘或金属状态下抑制暗电流都很困难。在相变过程中，伴随着显著的电阻变化，光电流的函数关系可从亚线性转变为超线性。这种转变对干近距离传感器视觉处理和模式分类至关重要，因为它起到了强度选择器的作用，即使光强变化很小，也能过滤掉输入模式中的噪音。

研究成果

类脑智能正将人类带入感知互联网(IoP)时代，众多传感节点产生的海量数据给传输带宽和计算硬件带来了巨大挑战。最近提出的近传感器计算架构为减少数据处理延迟和能耗提供了有效的解决方案。然而，具有多功能近传感器图像处理能力的创新硬件仍是当务之急。香港城市大学Johnny C. Ho教授团队开发了基于莫特材料(二氧化钒)的光热电近红外光电探测器，该探测器在超低调制偏置下表现出依赖于电极的可调超线性光响应(指数α>33)。这些器件展示了光-热-电耦合相变，从而实现了大光电流开/关比(>10⁵)、高响应率(≈500 AW^-1)和良好的检测率(~3.9 × 10¹² Jones)。这种依赖于电极的超线性响应源于由塞贝克系数极性决定的电子掺杂效应。此外，这项研究还展示了强度选择性近传感器处理和夜视模式重组，即使在输入噪声较大的情况下也是如此。这项工作为开发近传感器设备铺平了道路，其在医学图像预处理、柔性电子器件和智能边缘传感方面具有潜在的应用前景。相关研究以“Electrode-Dependent and Tunable Sub-to-Super-Linear Responsivity in Mott Material-Enabled Near-Infrared Photodetectors for Advanced Near-Sensor Image Processing”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Device structure and characterization.

Figure 2. Electrode-dependent NIR photoresponse of the VO2 PTE detectors.

Figure 3. Dynamic near-IR photoresponse.

Figure 4. Near-IR photoresponse parameters.

Figure 5. Near-sensor image processing.

总结与展望

总之，利用VO₂的 PTE 特性，作者创建并演示了金属-VO₂-金属一体化近红外光电探测器，它具有自供电光电探测和可调超线性光致发光性。特别是，该器件显示出PTE诱导的MIT，这与金属电极的类型有很大关系，而且值强度可通过从0(即自供电)到5mV的小偏压进行调制。基于这种光热电子耦合 MIT 效应，通过将近红外强度从 0(即黑暗条件)增加到 4nw um^-2，在微秒级响应时间和高达10⁵的开/关比范围内，镍电极器件实现了亚超线性光响应，最大响应率和检测率分别达到500 AW^-1和3.9x10¹² Jones。通过PTE 诱导的相变对镍电极VO₂检测器的有效调制被认为是产生这些结果的原因。还发现了受电极塞贝克系数极性影响的电极依赖性电子掺杂效应，它决定了 MIT 诱导超线性光响应的强度阈值。此外，还提出了动态强度分离和对有噪声输入的夜间模式进行分类的潜在应用。这些研究成果将为创建高性能光电探测器奠定基础，使其能广泛应用于智能边缘传感、夜视和医学图像预处理等领域。

文献链接

Electrode-Dependent and Tunable Sub-to-Super-Linear Responsivity in Mott Material-Enabled Near-Infrared Photodetectors for Advanced Near-Sensor Image Processing

https://doi.org/10.1002/adma.202410952

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