热释电（PE）探测技术因其无需制冷、无偏压和宽带特性而引起了广泛关注。然而，热释电信号是由光、热到电的连续能量转换过程产生的，响应速度通常很慢。
据麦姆斯咨询报道，近日，苏州大学、浙江大学、国防科技大学、中国科学院苏州生物医学工程技术研究所等机构的研究人员组成的团队设计并制造了一种热释电探测器，通过与非均匀等离子体超构表面（Metasurface）相结合，该探测器在近红外（NIR）波段显示出极快的响应速度。等离子体效应显著加速了光热转换过程，将近红外响应速度提高了2-4个数量级，达到22 μs，比之前已报道的任何红外（IR）热释电探测器都快。
研究团队还创新性地将时间分辨率的概念引入热释电探测领域，这代表了探测器分辨多个快速移动目标的能力。此外，空间非均匀设计克服了等离子体系统的传统窄带限制，从而确保了从可见光到近红外的宽带响应。这项研究为开发具有超快和宽带响应的下一代红外热释电探测器提供了一种有前景的方法。上述研究成果以“Ultrafast near-infrared pyroelectric detector based on inhomogeneous plasmonic metasurface”为题发表于Light: Science & Applications期刊。
工作原理
图1a显示了所提出的氮化铝（AlN）热释电探测器的结构示意图。首先，在p型硅基底上依次沉积110 nm厚的AlN层和80 nm厚的氧化铟锡（ITO）层，分别用作热释电材料和电极。然后，在探测器的顶部沉积10 nm厚的Al膜。由于其超薄的厚度，Al膜在沉积过程中会自发形成非连续和不均匀的粒子超构表面。图1a中的扫描电子显微镜（SEM）图像显示了顶部Al粒子的形态和分布。
基于独特的Al粒子超构表面结构，所提出的热释电探测器具有超快和宽带响应的宝贵特性。图1b显示了典型的测量的光电流波形，其中信号由热释电电流（Ipyro）和光伏（PV）电流（Iphoto）组成。一方面，热释电信号Ipyro由AlN层的温度变化率决定。作为热释电材料的固有特性，AlN层的自发极化状态可以通过温度变化来调节。当温度升高时，材料晶格中的正负电荷将在空间上分离，从而导致热释电电势和电流。传统热释电探测器的工作原理基于这一现象，其中包含光、热和电之间的能量转换，因此其响应速度受到严重影响。
相比之下，在这项研究工作中，入射光的能量首先被转换为由Al粒子激发的局域表面等离子体共振（LSPR）。这些LSPR随后发生辐射衰减，并以飞秒至皮秒的速度将热量传输到AlN层，从而有效地加快了响应速度。
众所周知，等离子体共振频率通常取决于纳米结构的形状和尺寸。本研究通过实验演示了这种热释电探测器的工作波段从可见光延伸到近红外，这应该归因于顶部非均匀Al粒子激发的多重等离子体共振。
图1c和1d显示了该热释电探测器两个金属-半导体界面处的能带状态。探测器的顶部Al粒子与下面的n型ITO层形成欧姆接触，允许LSPR激发的热电子自由通过界面。此外，在检测过程中，硅衬底和金（Au）背电极之间会形成肖特基接触。该肖特基结可以产生一个空间电荷区，这是热释电探测器能够在零偏压下工作的必要条件。
图1 本文所提出的热释电探测器的工作原理
基于LSPR的响应速度加速
为了进一步解释LSPR对响应速度的加速机制，研究人员制备了一个不含Al超构表面的AlN热释电探测器样品作为对照。图2a和2b分别显示了不含Al粒子和含有Al粒子超构表面的AlN热释电探测器测量的光电流波形。
此外，研究人员还进行了一系列基于有限元法的模拟，从理论上分析了探测器中的光热转换过程。图2c和2d显示了200 fs光脉冲照射两个探测器后的温度变化分布，直观地展示了在无LSPR和有LSPR情况下光热转换过程的差异。
图2 LSPR引起的响应速度加速
非均匀超构表面引起的宽带响应
等离子体效应具有明显的结构依赖性，规则的等离子体结构通常会导致窄带共振频率。然而，本研究工作中的非均匀Al粒子超构表面为实现覆盖可见光和近红外区域的宽共振频段提供了可能性。研究人员持续研究了所提出的热释电探测器在不同入射波长下的响应特性。图3a和3b分别显示了在零偏压和500 Hz斩波器频率条件下测量的近红外（1100−1800 nm）和可见光（550−700 nm）范围内的波形。
鉴于LSPR的结构依赖特性，在保持红外热释电探测器宽带检测优势的同时，切实提高响应速度是非常困难的。幸运的是，所提出的具有空间非均匀等离子体超构表面的探测器为实现这一目标提供了一种可行的方法。
图3 基于非均匀超构表面的宽带响应
斩波器频率和偏置电压的影响
实验中采用的斩波器频率和偏置电压会极大地影响测量结果。图4a−4d显示了通过改变偏置电压（0、±0.1、±1 V）和光学斩波器频率（100、300、500、700 Hz）获得的所提出的热释电探测器的不同波形。
图4 斩波器频率和偏置电压对光电探测性能的影响
小结
综上所述，这项研究提出了一种利用非均匀等离子体超构表面设计具有超快探测能力的红外热释电探测器的方案。在Al粒子超构表面激发的LSPR的帮助下，光和热之间的能量转换过程得到了有效加速。因此，所提出的红外热释电探测器的响应速度提高了2-4个数量级，上升和下降时间分别为22和43 μs，比之前报道的任何红外PE探测器都快。
同时，将时间分辨率的概念创新性地引入到热释电探测领域，预计所提出的探测器的最小时间分辨率为~230 ps，表明其具有分辨多个快速移动目标的优越潜在能力。不均匀的Al粒子可以激发不同波长的多个LSPR，从而实现覆盖可见光（550−700 nm）和近红外（1100−1800 nm）范围的宽工作波段。此外，研究人员还计算了宽光谱范围内的响应度和比探测率，验证了红外热释电探测器的宽带探测能力。
研究结果表明，所提出的热释电探测器真正实现了响应速度和带宽之间的平衡。特别是在超出商用硅探测器工作波段以外的近红外区域，该探测器的响应速度相比其它研究取得了显著进展。最后，研究人员还系统分析了偏置电压和光学斩波器频率对探测性能的影响。该器件的整个制备过程可以通过沉积法轻松完成，这有利于成本控制。这项研究为开发具有优异光电探测性能和低成本的下一代红外热释电探测器提供了一种有前景的方法，有望在军事和民用领域得到广泛应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01572-5
