杜克大学工程师打造速度快1000倍的热电光电探测器

杜克大学的电气工程师创造了迄今为止最快的热释电光电探测器,该设备能够在仅125皮秒内将光转换为电信号——比现有热探测器快数百到数千倍。这项发表在《先进功能材料》期刊上的研究成果,可能为新一代多光谱相机奠定基础,其应用范围涵盖从皮肤癌检测到食品安全和大规模农业等领域。

工作原理

与仅能感知可见光窄带的传统半导体光电探测器不同,热释电探测器通过测量光被吸收时产生的热量来工作。这使得它们能够捕捉整个电磁波谱范围内的波长。但历来存在的代价是速度:商用热释电探测器通常工作在纳秒到微秒范围内,并且需要厚的吸收材料或强烈的照明。

由Maiken Mikkelsen教授领导的杜克大学团队通过超表面结构克服了这些限制,该结构由精确排列的银纳米立方体组成,这些立方体位于仅10纳米厚的透明层上,悬浮在一层薄金片上方。当光线照射到纳米立方体时,它会激发银中的电子,并通过一种称为等离子体激元的过程捕获光的能量。由于捕获效率极高,只需要非常薄的热释电层就能产生信号。

"我们的方法巧妙地结合了近乎完美的吸收体和超薄热释电材料,实现了125皮秒的响应时间,这对该领域来说是一个巨大的进步,"Mikkelsen说道。

速度的飞跃

Mikkelsen实验室的博士生Eunso Shin通过将超表面从矩形重新设计为圆形，优化了该设计，在增加接收入射光的面积的同时，缩短了电信号必须传输的距离。该团队还采用了更薄的热释电层，并改进了读出电路。

测量结果显示，该探测器的工作速度高达2.8 GHz。"热释电光电探测器通常在纳秒到微秒范围内工作，所以这快了数百倍甚至数千倍，"Shin说。

未来展望

研究人员认为,通过将热释电材料和读出电子器件直接嵌入到纳米立方体与金层之间的间隙中,有望实现进一步的性能提升。他们还在探索使用多个超表面同时检测多个波长及其偏振态的设计方案,这将是迈向无需外部电源、可在室温下工作的紧凑型多光谱相机的重要一步。

Mikkelsen的实验室于2019年首次在《自然·材料》(Nature Materials)期刊上发表的研究中展示了这一基本概念,尽管最初的器件设计并未用于测量响应速度。目前的研究得到了美国空军科学研究办公室和戈登与贝蒂·摩尔基金会的支持。