中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
隨著數(shù)字時代的發(fā)展，人們對增強信息傳輸和存儲技術(shù)的需求持續(xù)爆炸式增長，信息安全也越來越受到重視。光子作為信息的基本載體，具有速度快、能量消耗小、容量大等特點，在信息傳遞和處理中具有不可缺少的重要作用。與單純的光譜探測和成像相比，超寬帶系統(tǒng)中光子的多重自由協(xié)同工程提供了前所未有的信息容量，為全天候監(jiān)控、弱光能見度增強、安全成像和先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了機會。
傳統(tǒng)的成像傳感器是由硅制成的電荷耦合器件，無法辨別波長超過1100 nm的光。為了將探測范圍擴大到這一極限之外，人們使用帶隙更窄的其他半導(dǎo)體材料（如InxGa1-xAs和Hg1-xCdxTe）制造光子型光電探測器。然而，長波長的光探測需要嚴(yán)格的低溫冷卻條件，以最大限度地減少熱激發(fā)噪聲和暗電流，而在中波紅外（尤其是太赫茲）區(qū)域工作的光電探測器體積龐大、功耗高，因此存在相當(dāng)大的缺陷。此外，基于光電導(dǎo)和光門控效應(yīng)的傳統(tǒng)光子型探測器通常需要在溝道施加偏置電壓，從而產(chǎn)生了影響性能的過量噪聲。光熱電（PTE）器件不受材料帶隙的限制，因此具有在任何特定波長的寬光譜上采集光的能力。偏振信息是獨立于相位和振幅的另一種重要光學(xué)參數(shù)，偏振信息的加密具有很強的隱蔽性，從根本上避免了對信息的非法截取和篡改。因此，尋找同時具備熱電特性和對偏振光敏感的材料對于研發(fā)新型探測和加密技術(shù)至關(guān)重要。
西安電子科技大學(xué)楊如森教授的研究團隊通過化學(xué)氣相傳輸?shù)姆椒煽睾铣闪藴?zhǔn)一維材料Nb?Se??I?；诖瞬牧系墓鉄犭娂肮怆妼?dǎo)協(xié)同作用，制備出的光電探測器能夠覆蓋從深紫外（254 nm）到太赫茲（0.30 THz）的寬光譜響應(yīng)范圍，并具有快速準(zhǔn)確的寬光譜成像能力。該探測器還展示了卓越的多重協(xié)同效應(yīng)和高響應(yīng)性，為高容量光學(xué)處理提供了有效的新策略。相關(guān)研究成果以“Strong Anisotropy and Giant Photothermoelectricity of 1D Alloy Nb3Se12I-Based Photodetector for Ultrabroadband Light-Detection and Encryption Imaging Application”為題，發(fā)表在Advanced Materials期刊上。
圖1a為Nb?Se??I晶體的四方結(jié)構(gòu)，圖1d為利用X射線光電子能譜技術(shù)（XPS）分析來揭示晶體的化學(xué)成分和元素存在狀態(tài)。隨后，研究人員通過透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)一步表征了剝離樣品的晶體結(jié)構(gòu)，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。
圖1 Nb?Se??I晶體的結(jié)構(gòu)示意圖和表征
圖2 Nb?Se??I的TEM表征
為了研究Nb?Se??I光電探測器的光響應(yīng)特性，研究人員對其進(jìn)行了電學(xué)和光電學(xué)測量，相關(guān)測量結(jié)果如圖3所示。圖3a展示了Nb?Se??I光電探測器的示意圖。另外研究人員還將Nb?Se??I的工作波長和響應(yīng)度與其他準(zhǔn)一維材料進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖3e。Nb?Se??I器件在寬光譜上的響應(yīng)機制總結(jié)如下：Nb?Se??I探測器在深紫外波段的響應(yīng)機制為光電導(dǎo)效應(yīng)，在405 nm至 2200 nm波段的響應(yīng)機制為光熱電協(xié)同光電導(dǎo)效應(yīng)，在4060 nm波長的響應(yīng)機制為光熱電效應(yīng)。
圖3 Nb?Se??I探測器在紫外至紅外光照射下的光電特性和響應(yīng)機制
為了全面探究Nb?Se??I光熱電器件在更寬光譜的響應(yīng)特性，研究人員評估了該器件在低能光子的太赫茲波下的性能，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。圖4a為帶有微結(jié)構(gòu)天線的太赫茲光電探測器的示意圖。相關(guān)結(jié)果表明，Nb?Se??I器件表現(xiàn)出適度的低噪聲等效功率（NEP），突出了它在太赫茲應(yīng)用方面的潛力。
圖4 Nb?Se??I探測器的太赫茲響應(yīng)特性
Nb?Se??I光熱電器件具有超寬帶靈敏度、快速響應(yīng)和出色的穩(wěn)定性，可滿足成像應(yīng)用的整合要求。研究人員將該器件放置在太赫茲光束焦點以及成像系統(tǒng)所示的其他具有不同波長的激光源上（如圖5a），進(jìn)行室溫下的探測和成像研究。
圖5 Nb?Se??I探測器的寬帶探測和成像應(yīng)用
研究人員進(jìn)一步通過結(jié)合Nb?Se??I光電探測器的偏振敏感特性，首次提出了一種全新的偏振態(tài)與光熱電電流協(xié)同加密成像/防偽技術(shù)，相關(guān)結(jié)果如圖6所示。這種技術(shù)通過將加密后的信息轉(zhuǎn)換為特定的極化狀態(tài)，再通過專門設(shè)計的解密算法將其還原，極大地提升了信息傳輸過程的隱蔽性和安全性。此項研究成果不僅擴展了寬帶光電探測器的材料庫，也為未來高容量和安全通訊技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性。
圖6 基于Nb?Se??I偏振敏感特性與光熱電效應(yīng)的協(xié)同光學(xué)加密/防偽成像通訊
綜上所述，這項研究開發(fā)了一種高性能的Nb?Se??I光電探測器，用于超寬帶探測和加密成像應(yīng)用。該探測器的光熱電效應(yīng)主導(dǎo)探測機制表現(xiàn)出自功率能力，并且在從深紫外到太赫茲的探測波段擁有微秒級的響應(yīng)時間，從而確保了卓越的成像功能。此外，該研究提出的光熱電電流偏振態(tài)補償方法實現(xiàn)了基于多極化態(tài)的光學(xué)信息加密和防偽。這項研究為信息安全技術(shù)的發(fā)展提供了指導(dǎo)，其特點是增強了數(shù)據(jù)安全性和編碼能力。
