随着数字时代的发展，人们对增强信息传输和存储技术的需求持续爆炸式增长，信息安全也越来越受到重视。光子作为信息的基本载体，具有速度快、能量消耗小、容量大等特点，在信息传递和处理中具有不可缺少的重要作用。与单纯的光谱探测和成像相比，超宽带系统中光子的多重自由协同工程提供了前所未有的信息容量，为全天候监控、弱光能见度增强、安全成像和先进生物医学诊断等领域的应用开辟了机会。
传统的成像传感器是由硅制成的电荷耦合器件，无法辨别波长超过1100 nm的光。为了将探测范围扩大到这一极限之外，人们使用带隙更窄的其他半导体材料（如InxGa1-xAs和Hg1-xCdxTe）制造光子型光电探测器。然而，长波长的光探测需要严格的低温冷却条件，以最大限度地减少热激发噪声和暗电流，而在中波红外（尤其是太赫兹）区域工作的光电探测器体积庞大、功耗高，因此存在相当大的缺陷。此外，基于光电导和光门控效应的传统光子型探测器通常需要在沟道施加偏置电压，从而产生了影响性能的过量噪声。光热电（PTE）器件不受材料带隙的限制，因此具有在任何特定波长的宽光谱上采集光的能力。偏振信息是独立于相位和振幅的另一种重要光学参数，偏振信息的加密具有很强的隐蔽性，从根本上避免了对信息的非法截取和篡改。因此，寻找同时具备热电特性和对偏振光敏感的材料对于研发新型探测和加密技术至关重要。
据麦姆斯咨询报道，西安电子科技大学杨如森教授的研究团队通过化学气相传输的方法可控合成了准一维材料Nb₃Se₁₂I。基于此材料的光热电及光电导协同作用，制备出的光电探测器能够覆盖从深紫外（254 nm）到太赫兹（0.30 THz）的宽光谱响应范围，并具有快速准确的宽光谱成像能力。该探测器还展示了卓越的多重协同效应和高响应性，为高容量光学处理提供了有效的新策略。相关研究成果以“Strong Anisotropy and Giant Photothermoelectricity of 1D Alloy Nb3Se12I-Based Photodetector for Ultrabroadband Light-Detection and Encryption Imaging Application”为题，发表在Advanced Materials期刊上。
图1a为Nb₃Se₁₂I晶体的四方结构，图1d为利用X射线光电子能谱技术（XPS）分析来揭示晶体的化学成分和元素存在状态。随后，研究人员通过透射电子显微镜（TEM）进一步表征了剥离样品的晶体结构，相关结果如图2所示。
图1 Nb₃Se₁₂I晶体的结构示意图和表征
图2 Nb₃Se₁₂I的TEM表征
为了研究Nb₃Se₁₂I光电探测器的光响应特性，研究人员对其进行了电学和光电学测量，相关测量结果如图3所示。图3a展示了Nb₃Se₁₂I光电探测器的示意图。另外研究人员还将Nb₃Se₁₂I的工作波长和响应度与其他准一维材料进行了比较，结果如图3e。Nb₃Se₁₂I器件在宽光谱上的响应机制总结如下：Nb₃Se₁₂I探测器在深紫外波段的响应机制为光电导效应，在405 nm至 2200 nm波段的响应机制为光热电协同光电导效应，在4060 nm波长的响应机制为光热电效应。
图3 Nb₃Se₁₂I探测器在紫外至红外光照射下的光电特性和响应机制
为了全面探究Nb₃Se₁₂I光热电器件在更宽光谱的响应特性，研究人员评估了该器件在低能光子的太赫兹波下的性能，相关结果如图4所示。图4a为带有微结构天线的太赫兹光电探测器的示意图。相关结果表明，Nb₃Se₁₂I器件表现出适度的低噪声等效功率（NEP），突出了它在太赫兹应用方面的潜力。
图4 Nb₃Se₁₂I探测器的太赫兹响应特性
Nb₃Se₁₂I光热电器件具有超宽带灵敏度、快速响应和出色的稳定性，可满足成像应用的整合要求。研究人员将该器件放置在太赫兹光束焦点以及成像系统所示的其他具有不同波长的激光源上（如图5a），进行室温下的探测和成像研究。
图5 Nb₃Se₁₂I探测器的宽带探测和成像应用
研究人员进一步通过结合Nb₃Se₁₂I光电探测器的偏振敏感特性，首次提出了一种全新的偏振态与光热电电流协同加密成像/防伪技术，相关结果如图6所示。这种技术通过将加密后的信息转换为特定的极化状态，再通过专门设计的解密算法将其还原，极大地提升了信息传输过程的隐蔽性和安全性。此项研究成果不仅扩展了宽带光电探测器的材料库，也为未来高容量和安全通讯技术的发展提供了新的可能性。
图6 基于Nb₃Se₁₂I偏振敏感特性与光热电效应的协同光学加密/防伪成像通讯
综上所述，这项研究开发了一种高性能的Nb₃Se₁₂I光电探测器，用于超宽带探测和加密成像应用。该探测器的光热电效应主导探测机制表现出自功率能力，并且在从深紫外到太赫兹的探测波段拥有微秒级的响应时间，从而确保了卓越的成像功能。此外，该研究提出的光热电电流偏振态补偿方法实现了基于多极化态的光学信息加密和防伪。这项研究为信息安全技术的发展提供了指导，其特点是增强了数据安全性和编码能力。
https://doi.org/10.1002/adma.202410275
