高性能中红外光电探测器对于光谱学和成像应用来说是非常重要的。然而，对电子带隙跃迁的固有依赖对可以探测的光子能量设置了基本限制，然而，随着带隙的减小，来自热激发载流子的噪声增加。为了降低热噪声，需要制冷系统，这大大增加了探测器的成本和尺寸，从而限制了中红外技术的可及性。
光热电（PTE）探测器是光电二极管的替代技术，支持宽带光谱响应和室温操作。这些器件基于光热电效应工作，因此任何光吸收机制都可以独立于材料带隙使用。目前热门的光学腔结构，通过共振增强吸收并改善光热电探测器的性能。尽管共振增强型光热电器件有诸多优势，但始终存在共同的问题——复杂的器件结构、额外的材料以及复杂的制造工艺。另一方面，光热电器件凭借其可靠性、独立于外部电源以及非制冷等特性而独具吸引力。然而，与光电二极管相比，它们的响应速度和灵敏度低是显著缺点，这限制了该器件在要求更为苛刻的光谱和成像应用中的应用。碲化锑（Sb₂Te₃）和碲化铋（Bi₂Te₃）是硫化物材料，在室温下具有可达到1或更高的ZT值，且Sb₂Te₃是p型半导体，Bi₂Te₃是n型半导体，分别具有负和正的塞贝克系数，这意味着它们可以组合形成热电偶对以增强热电转换。
因此，光热电探测器在非制冷中红外光电探测方面有潜力有望胜过光电二极管，但现有的探测器通常受到间接吸收机制或复杂器件结构的限制。
据麦姆斯咨询报道，为了解决上述问题，由新加坡科技设计大学（Singapore University of Technology and Design）、南洋理工大学（Nanyang Technological University）、日本东京农工大学（Tokyo University of Agriculture and Technology）、新加坡科技研究局（A*STAR）材料与研究工程研究所（IMRE）、英国伯明翰大学（University of Birmingham）组成的科研团队开发了一种紧凑型高灵敏的中红外热电探测器。通过将中红外光谐振耦合到Sb₂Te₃-Bi₂Te₃热电结上形成热电偶，该热电偶被窄带中红外辐射直接加热，通过Bi₂Te₃和Sb₂Te₃材料中光与自由电子的共振增强耦合，可在该热结处实现近乎完美的吸收。
这项研究成果以“Sb₂Te₃–Bi₂Te₃ Direct Photo–Thermoelectric Mid-Infrared Detection”为题，发表在Advanced Optical Materials期刊上。
研究人员通过提出一种基于本征光吸收的Sb₂Te₃–Bi₂Te₃中红外光热电器件来解决光热电受限问题。利用非对称的法布里-珀罗类谐振结构，热电材料同时充当光吸收器和热电发生器，如图1a所示。
图1 Sb₂Te₃–Bi₂Te₃中红外光热电探测器原理示意图
这项研究分三个步骤详细描述了该探测器实现光热电探测的过程：第一步，确保器件的选择性光吸收，其中应该在热电结处吸收较大，在引线处吸收较小。第二步保证热电结中温度的大幅升高，可以通过热隔离来实现。第三步，由于选择性光热加热在器件中建立了温差，因此根据塞贝克效应产生电压以对抗载流子的热扩散。
研究人员主要使用椭圆偏振法测量了热电材料Bi₂Te₃和Sb₂Te₃的中红外光学特性（如图2a）。图2b中透明衬底上的堆叠的模拟吸收光谱表明，对于谐振波长，在热电结处实现了接近单位的峰值吸收，而在器件的引线中保持了低吸收率。溅射沉积薄膜堆叠的谐振吸收已通过实验得到证实（如图2c）。
图2 热电材料Bi₂Te₃和Sb₂Te₃的光学特性及设计
随后，研究人员根据图1b中的尺寸制作了热电偶。在均匀照明下，以3.6 μm的谐振波长测量未聚焦的中红外激光源的光响应，连接到该器件重叠结的附加电极，以便测量每个热电引线的光响应，如图3a所示。
图3 Sb₂Te₃-Bi₂Te₃热电偶的光电-热电表征
除了优化热特性外，提高光热电探测器光响应的另一种方法是串联多个热电偶，通常称为热电堆。为了证明热电堆的可行性，研究人员制造了由一个、两个和四个串联的热电偶单元组成的器件（如图4a），图4b展示了在相同光强度下这三个器件的光响应，较大的热电堆的光电压明显增加。
图4 Sb₂Te₃-Bi₂Te₃热电堆的性能表征
综上所述，该Sb₂Te₃–Bi₂Te₃中红外光热电探测器探测性能高，实现了10.2 V W⁻¹的谐振响应率、1 kHz的带宽、低热损耗；通过优化器件设计，显著提升了其响应速度。这项工作展示了实现高灵敏度、高响应度、宽带宽、微型化的中红外探测器及光谱仪的可能。重要的是，该器件非常适合工业生产，有望为化学传感、医学以及安全等领域提供应用范围更广的中红外技术。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adom.202401450
