光电探测器的响应波段决定了探测器在不同领域的应用，其中热释电光探测器由于其低成本、快响应速度、高信噪比受到广泛研究关注。从原理上看，热释电探测器的响应能力由热释电材料的温度变化速率的决定，它主要受材料的形貌结构、内部声子散射等限制。另一方面，常规热释电光探测器具有宽的光谱响应特性而不具有波长选择性，这限制了它的进一步应用。同时实现探测性能提升和显著的波长选择性进而拓展热释电光探测器的功能化应用仍是当今一大挑战。
在这项研究中，作者提出了利用金属纳米颗粒阵列插入层对硅基氧化锌(ZnO)热释电探测器进行界面修饰的策略，同时实现光响应性能提升和器件敏感响应波段的调制。金属纳米颗粒在入射光激励下的局域表面等离子体共振效应（LSPR），引起电磁波近场增强和光谱选择性吸收的现象受到广泛讨论。作者使用磁控溅射和快速高温退火方法制备了Au和Ag纳米颗粒阵列，在光谱吸收测试中发现Au和Ag纳米颗粒阵列分别在近红外和近紫外波段表现出明显的吸收现象。接着作者在沉积有不同金属颗粒的硅衬底上制备了ZnO纳米线热释电探测器，并通过405nm 和940nm 的光源进行响应测试。发现Au和Ag修饰的热释电探测器分别在近红外和近紫外波段表现出更优异的探测能力，其波段响应选择比最高达到80。这为研制具有高性能、敏感波段可调的热释电探测器提供了有效和低成本的思路。
进一步，作者通过对金属纳米颗粒LSPR效应诱导的快速热电子转移和等离子体衰变发热现象的分析研究，提出了金属颗粒插入层可配合入射光在飞秒尺度上对氧化锌纳米线进行双端升温，从而提高探测器的热释电性能。此外，作者详细讨论了热释电探测器的共振响应频率调制模型，提出了热释电探测器在多光谱成像、人机交互等领域的潜在应用。
通信技术及物联网领域的飞速发展对传感器的功能化、差异化提出了更高的要求。一般的用于转换光信号的光电探测器可根据其辐射响应的不同类型和运行机制分为两类：光子探测器和光热探测器。光子探测器通过直接吸收光子引起原子或分子内部的电子状态变化来检测光，由此过程可以获得更快的响应速度。但是光子的能量和数量直接影响内部电子状态的变化，因此通常将光子探测器的探测波长限制在可见到紫外波段，以实现足够强的光电电流响应。与前者工作机制不同的是光热探测器，特别是热释电探测器，它在吸收光辐射能量后将吸收的光能转换为晶格的热运动能，从而改变探测器的电学等物理性质。由于该过程与单个光子的能量不直接相关，因此光热探测器被广泛用于红外辐射的检测。然而传统的热释电探测器的波长选择性很低，所以克服热释电探测器的波长不敏感缺点以拓宽和满足新功能领域的要求一直是一个挑战，需要提出新的机制和方法。
氧化锌（ZnO）是具有非中心对称纤锌矿结构的理想热释电材料，由于可通过调制温度随时间的梯度变化使ZnO纳米线的两端生成大量热释电极化电荷，从而吸引了广泛的研究兴趣。尽管近年有许多关于不同的异质结或量子点等一维材料修饰的ZnO探测器的研究表明可提高其光响应范围或性能。但是普遍受到高成本、环境不友好等缺点限制了其工业化应用。而最近学者们对具有选择性共振吸收的金属纳米颗粒的热载流子注入和等离子体超快动力学分析，为解决热释电探测器的波长不敏感问题提供了一种潜在方法。
在这项研究中，作者提出了一种新的策略：利用具有不同共振吸收波长的金属纳米颗粒阵列对P-Si/ZnO NWs进行界面修饰，是赋予热释电探测器敏感波长可调谐能力的有效方法。测试结果和有限元模拟分析表明，不同的金属NPs阵列具有显著的LSPR吸收峰差异。所制备的Au和Ag NPs界面修饰的热释电探测器分别在近红外和近紫外区域表现出优秀的响应性能，同时具有自供电，快速响应能力。本研究提出的光热-热释电-等离子体耦合效应增强的热释电探测器波长选择比和响应性能的策略具有低成本，高兼容性和环境友好等特点。最后作者指出通过调节金属NPs的材料，粒径和分布密度等因素，可对热释电探测器的敏感响应波长能进行灵活调制，以及这种敏感波长可调谐的热释电探测器在多光谱成像、尾焰检测和人机交互等领域的潜在应用。
图1中(a)是金属NPs界面修饰的热释电探测器工作原理图。 (b)-(e)是制备的Au和Ag纳米颗粒阵列的扫描电子显微镜图片和平均粒径分布图。(f)是探测器的截面扫描电子显微镜图片，其中对界面区域进行了EDX分析如(g)所示，证明了界面处硅/金属/氧化锌异质结的完备性。(h)是对Au和Ag NPs阵列的吸收光谱图片，表现出明显的LSPR吸收峰位差异。
Figure 1. Structure characterizations of the tunable waveband-selective p-Si/metal NPs/n-ZnO NWs pyroelectric PD.
文章图2(a) 给出了金属NPs界面修饰的热释电探测器的工作机制和能带示意图，2(b) 是一个完整响应周期的时间-电流曲线，3(c) 是对Au NPs阵列在940nm 入射光波刺激下产生近场增强现象的有限元分析模拟结果。
Figure 2. Operational mechanism and simulation of plasmonic NPs electromagnetic fields of p-Si/metal NPs/n-ZnO NWs pyroelectric PDs.
文章图4给出了所制备的三种结构（Si/ZnO、Si/Au/ZnO、Si/Ag/ZnO）的热释电探测器分别在405nm和940nm光照下的时间-电流响应谱线。可以看到不同结构探测器的敏感响应波长的明显差异对比。
Figure 4. Current-time (I-t) characteristics of Si/ZnO, Si/Ag/ZnO and Si/Au/ZnO PD with zero bias.
通过具有选择性共振吸收的金属NPs插入层的引入，作者制备了分别对近紫外和近红外波段敏感响应的热释电探测器，克服了传统热释电探测器的波长不敏感局限性，同时金属NPs的超快放热与热电子注入效应显著增强了热释电探测器的响应性能。提出了一种更低成本、易组装的制备具有波长选择性热释电探测器的方法，有望在多光谱探测、人机交互领域发挥重要作用。
王幸福研究员现为华南师范大学半导体科学技术研究院研究员，主要研究方向为GaN纳米材料的MOCVD制备及性能研究；至今以第一或通讯作者在Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Nano Energy、Advanced Functional Materials、Nanoscale等期刊发表学术论文40余篇，获得多项发明专利。主持有中国国家自然科学基金、广东省“杰出青年”基金、广东省“第三代半导体材料与器件”重点领域研发计划等。
Yu Zhu, Baoyu Wang, Congcong Deng, Yifan Wang, Xingfu Wang, Photothermal-Pyroelectric-Plasmonic Coupling for High Performance and Tunable and-Selective Photodetector, Nano Energy, 2021, 105801, ISSN 2211-2855, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105801.
