注：本文由論文作者（課題組）投稿

紅外光電技術經過 70 多年的發展，從最初的單一強度的像素探測到現在光子智能化探測與極限靈敏度探測在探測器規模、集成方式以及探測譜段都實現了飛躍，如多譜段/高光譜成像、百萬像素級的先進焦平面與智能處理技術等，服務于環境資源、空間科學、智慧城市等領域建設。

隨著環境多樣化、隱蔽目標特征復雜化，短波紅外光子受環境干擾大，拓展紅外探測波長范圍覆蓋 30 微米至 3000 微米的電磁頻譜探測亦是突破傳統短波紅外強度表層探測對物質深層次多維信息“CT”功能探測瓶頸的重要手段，對復雜環境抗干擾、目標特征識別、精細光譜與安全反恐等能力的提升具有戰略意義，并成為當前研究解決的重點方向。

然而，既有紅外探測材料與器件受限于本征暗電流與工作溫度主要圍繞20微米波段以下工作，在波長拓展面臨著巨大的原理性和系統性(制冷、功耗、體積、質量等)挑戰。為此，亟需探索新興的材料與器件結構體系，滿足具備室溫、低功耗、小型化、長波探測等特點的小型化器件技術以應對復雜環境下的智能化裝備的多種功能用途需求。

近日，來自中國科學院上海技術物理研究所的王林、陳效雙、陸衛研究團隊在 Light: Science & Applications 以 Hybrid Dirac semimetal-based photodetector with efficient low-energy photon harvesting 為題在線發表論文。

該團隊報道了一種基于 II 類 Dirac 半金屬硒化鉑 (PtSe?) 的光電探測器，集成超短溝道天線、非對稱接觸電極和范德華異質結等微納工藝，在超強電磁耦合功能基礎上在室溫下可實現對低能光子信號的高頻整流以及物體內部進行了類似CT的掃描成像，展示了微納量子結構在光電探測系統復雜特征信息檢測中極具活力的應用前景。

1. “納米尺度光場聚焦與室溫探測轉換雙重功能”：狄拉克半金屬的耦合非對稱寬帶探測器  

相對于短波紅外，長波光子具有更強的穿透能力，特別對于復雜環境具有更強的抗干擾能力，如入“無人之境”，可對物質深層信息進行充分挖掘。

然而，傳統光子探測器受材料帶隙限制的本征暗電流極限、光吸收或倍增區面積受限、波長匹配極限等問題束縛所導致的量子效率、探測率和工作溫度瓶頸，使得光電系統在體積、質量、功耗等綜合運用能力方面存在劣勢并限制了智能化光電系統的普適性。

為此，發展新型的具備優異量子態特征且具備高效低能量光子接收與轉換的器件原理，實現室溫下器件小型化與多功能對于長波譜段探索人類未知領域與新型頻譜資源利用具有重要科學實際意義。

低維結構物態的多樣性與可操控性為形成具備新型光電功能器件帶來了新的機遇，其中狄拉克半金屬具有非平庸的第二類狄拉克錐結構，由于強的自旋-軌道耦合形成電子-空穴費米面共存的傾斜狄拉克錐，且通過時間或空間反演操縱產生手性費米子、反常光電性質等，從多個維度進行低能量子態的新型行為調控，促進匹配低能光子態的俘獲和光電轉換集成化。

“紅外-太赫茲低能光子與低維材料存在五個量級尺度上的差距，通過傳統光子的粒子激發探測與波長匹配的光敏面吸收區在光電信號分離中是不切實際的，通過理論和實驗發現納尺度范圍的電磁等離激元效應可實現光子態密度數量級的增強極大地促進了拓撲半金屬非平衡態的激發放大。”該論文第一及通訊作者、上海技物所啟明星研究員王林介紹說：“基于納米尺度的電磁模態與新型狄拉克電子行為特征的有效組合，實現了 1 到 100 的功能放大效果，在滿足高工作溫度的前提下，有效降低器件尺寸、暗電流并克服納尺度高速轉換的集成化問題。”

2. “低功耗長波探測與成像”：狄拉克半金屬混合集成探測  

傳統意義來說，Gapless 半金屬結構由于自身低電阻會帶來熱噪聲或暗電流噪聲不利于信號分離，因此需要降低電場下噪聲水平。

超亞波長結構在解決近場耦合能力的同時在幾何結構上引入內部非對稱元素，從而可增強光子作用概率與非平衡態的動量取向，在帶寬提升的同時促使載流子有效分離。與傳統半導體 P-N 結或范德華異質結架構所不同的是低能激發過程是在自身電磁動量操控實現信號整流，是基于多數載流子的耦合效應，特別對于無空間反演對稱原子結構其本征光電具備類二極管的傳輸能力，從而避免了傳統電荷輸運少子擴散、隧穿等暗電流本征極限問題。此外，PtSe? 類拓撲狄拉克半金屬具備 vdW 晶格屬性可通過低界面勢壘的半金屬異質結實現非平衡態的熱發射轉換，通過能帶匹配實現優于當前肖特基二極管太赫茲探測的阻抗與頻率范圍。

“這種復合的異質集成能力顛覆了傳統探測模式在波長拓展中的困難，對填補低能光子探測特別在太赫茲頻段光電技術的空白具有重要意義，展示了狄拉克態及材料結構在實現量子裁剪功能的新型光電器件的巨大優勢，積極促進了未來復雜環境下穿透識別、人工智能物聯網、通訊感知一體化等小型化智能平臺對太赫茲電磁頻譜資源的利用。”上海技物所研究員陳效雙介紹說。

3. “戰疫-安檢雙重特點”：太赫茲毫米波成像儀  

自 2020 年初新冠疫情爆發以來，全球已有超過 600 萬人被無情地奪去生命。伴隨著我國客運站和機場客流量的逐年遞增，疫情防控和安全檢查變得同等重要。

目前，紅外體溫測量方式僅能測量暴露皮膚表層溫度，其易受環境溫度影響，造成結果錯誤，使異常體溫人員進出站導致防控失效。因此，研究更便捷、更快速、更精確的體溫檢測設備變得至關重要。

得益于太赫茲毫米波的指紋識別性、高透性、低能輻射性等特點，高性能太赫茲探測器可以實現對衣物的穿透成像，從而得到人體的真實溫度同時實現無接觸識別，減少環境影響，大大提高設備的精度。此外，太赫茲探測器還可以對易燃易爆品、毒品等物質進行快速無損檢測與成像，從而實現安全檢查功能。

上海技物所研究員陸衛補充說到, 隨著太赫茲探測光電技術的進一步發展，具備雙重或多重復合成像特點的主被動結合的紅外-太赫茲毫米波成像儀是未來發展新的趨勢，狄拉克半金屬光電探測混合集成的優點為多模融合成像在測溫、安檢的雙重功能實現提供了新的可能。

太赫茲毫米波的探測與成像正處于蓬勃發展的關鍵時期。雖然現有的探測器距離市場應用還有一段距離，但隨著它們在軍事和民用領域的迫切需求，相信終有一天它們會無處不在。

論文信息  

Wang, L., Han, L., Guo, W. et al. Hybrid Dirac semimetal-based photodetector with efficient low-energy photon harvesting. Light Sci Appl 11, 53 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00741-8

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