光電探測器件的工作性能可以使用納米光子學(xué)結(jié)構(gòu)獲得極大的增強(qiáng)，例如表面等離子激元、光學(xué)晶體等。這主要得益于光學(xué)共振模式可以將入射光場能量有效的匯聚在亞波長的空間范圍內(nèi)，同時還可以為器件引入天然的頻率選擇特性。

然而，在使用表面等離子激元共振的同時往往會不可避免的引入寄生吸收損耗，例如金屬材料發(fā)熱，從而對光電轉(zhuǎn)換效率造成負(fù)面影響。如果我們將局部光場制熱與熱電材料相結(jié)合，將這些“耗損熱”轉(zhuǎn)換為電能予以測量，便可以變廢為寶，甚至還可以極大的提升熱電器件的工作性能。

今天和大家介紹的這篇來自美國加州理工大學(xué)Harry Atwater教授研究團(tuán)隊(duì)的《Nature Nanotechnology》便是利用上述原理，在50到110微米的尺度上，通過利用納米共振結(jié)構(gòu)對入射光場的選擇性匯聚來實(shí)現(xiàn)高性能的熱電探測。

該器件通過光學(xué)結(jié)構(gòu)對入射光可調(diào)的選擇性吸收和局部匯聚，即便在均勻的入射光場下也可以在器件內(nèi)部形成溫度梯度并進(jìn)而獲得熱電壓，其對入射功率的響應(yīng)率可以達(dá)到38 VW-1，帶寬約為3 kHz，比傳統(tǒng)熱電器件的響應(yīng)速率快10到100倍。同時由于器件基于熱電效應(yīng)工作，因此也就對材料的能帶特性不敏感。

而在這篇文章中，研究人員使用了大量的FDTD全電磁場數(shù)值模擬來還原器件的工作場景，尤其是對納米光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)以及器件內(nèi)部熱功率的生成提供了生動而詳盡的物理圖像，并為最終的參數(shù)選優(yōu)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。下面我們一起來了解一下。

圖1a中給出了器件的結(jié)構(gòu)示意圖。整個器件由約40 nm厚的Bi2Te3與Sb2Te3構(gòu)成，制造于由SiO2和SiNx疊層構(gòu)成的懸空熱絕緣層上。熱電材料在器件中部區(qū)域被制造為長50微米，寬為100 nm，間距為數(shù)百納米的納米線陣列。

圖1 波導(dǎo)共振模式與熱設(shè)計(jì)。a，波導(dǎo)共振熱電探測器結(jié)構(gòu)示意圖。b，對于間隔為488 nm，尺寸為40 nm×100 nm的Sb2Te3納米線的吸收率A和與邊緣平面區(qū)域?qū)Ρ鹊臏囟炔瞀。c，F(xiàn)DTD模擬計(jì)算的入射光電場分布。圖中比例尺為1 微米。最高電場強(qiáng)度|E|發(fā)生在納米線區(qū)域，導(dǎo)致顯著的吸收并發(fā)熱。d，c中模擬模型橫截面上納米線的吸收功率分布，左側(cè)對應(yīng)Sb2Te3而另一半是Bi2Te3。e，Bi2Te3/Sb2Te3納米線熱電偶結(jié)構(gòu)在吸收峰值下的熱模擬結(jié)果，入射光功率為20 微W。比例尺，500 μm（主圖像）; 50微米（插圖）。f，具有Au接觸點(diǎn)的p/n熱電偶結(jié)構(gòu)SEM照片。比例尺，20 微米。插圖：Bi2Te3/Sb2Te3納米線之間的連接點(diǎn)。比例尺，1 微米。

通過FDTD全電磁場數(shù)值模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)這些周期性的納米線陣列可以有效的將TM偏振的垂直入射光耦合進(jìn)自己的波導(dǎo)模式并產(chǎn)生出強(qiáng)烈的共振，從而實(shí)現(xiàn)在局部范圍對光能的選擇性吸收增強(qiáng)（圖1b,c）。器件工作時，這些納米線陣列因?yàn)閷θ肷涔獾奈斩植可郎?；于此同時，器件外側(cè)的熱電材料形成了較大面積的平面區(qū)域，可以通過對大部分入射光的有效反射而保持在一個溫度相對較低的狀態(tài)（圖1d,e）。通過這樣的原理，器件獲得了從中心納米線區(qū)域到邊緣平面區(qū)域的溫度差異并進(jìn)而獲得熱電壓。

根據(jù)熱電領(lǐng)域的Seebeck原理，器件兩端的熱電壓正比于其兩端的溫差以及材料的Seebeck系數(shù)。因此，實(shí)現(xiàn)器件局部區(qū)域的有效加熱，或者說對光能的有效匯聚吸收，并同時抑制器件通過輻射、對流和傳導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)致的熱能散失對于增大器件的熱響應(yīng)電壓至關(guān)重要。在本器件中，研究人員通過將納米線陣列置于一個超薄懸空的熱隔離層上，并使用較低熱導(dǎo)率的襯底材料，最大可能的阻絕了器件熱區(qū)的熱能損耗，從而在器件的中心與邊緣區(qū)域之間制造最大約2~3 K的溫差。這一結(jié)果也與基于FDTD的仿真預(yù)測相吻合。

有效的局部加熱得益于納米光學(xué)共振結(jié)構(gòu)對光場的匯聚。理論計(jì)算表明，器件中部的納米線的共振模式主要由其波導(dǎo)模式和薄膜Fabry-Perot共振的Fano干涉形成。在圖2中，研究人員給出了在使用相同納米線尺寸以及襯底結(jié)構(gòu)下，不同材料的共振吸收峰分布?？梢钥吹絊b2Te3和較其他材料而言在共振波長處顯示出較大的消光系數(shù)。圖2b-d中給出了Sb2Te3納米線截面上在最大吸收波長下的共振模式，圖2c-e則給出了其在最小吸收波長下的共振模式。計(jì)算表明，由于波導(dǎo)模式與Fabry-Perot共振模式相長干涉，入射光電場在最大吸收波長下可以強(qiáng)烈的聚集在在納米線區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)對納米線的有效加熱。

圖2 基于波導(dǎo)共振模式的熱電材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。a，不同熱電材料的納米線吸收譜對比，納米線尺寸均為40 nm厚，68 nm寬，間距為488 nm。底部襯底為在50 nm厚的SiO2和100 nm 的SiNx波導(dǎo)。b-e，導(dǎo)波共振模式的模擬。b，d，吸收峰值處的歸一化電場分布與吸收功率分布。c，e，吸收最小時的歸一化電場分布與吸收功率分布。功率吸收密度由Pabs = 1/2ωε''|E|2求得，P0為入射功率。

與此同時，研究人員可以通過控制納米線陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)控器件的響應(yīng)波長，使器件顯現(xiàn)出極為豐富的應(yīng)用潛力（圖3e-g）。圖3b中給出了器件在不同納米線幾何參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)與模擬的吸收率對比，主要可以調(diào)控的參數(shù)信息包括納米線的高度，寬度以及其陣列內(nèi)部間距。圖3d則對應(yīng)的給出了在不同納米線間距下，器件實(shí)測的吸收率與基于FDTD的仿真結(jié)果的對比，其結(jié)果無論是在頻率分布還是響應(yīng)強(qiáng)度上都表現(xiàn)出較高的一致性。研究人員通過將仿真模擬結(jié)果反向擬合到實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，它們之間的細(xì)節(jié)差異主要來自于納米線材料的寄生損耗。

圖3 波導(dǎo)共振結(jié)構(gòu)的吸收譜參數(shù)依賴關(guān)系。a，納米線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。b，c，不同間距的納米線吸收譜的變化，其中納米線尺寸為60 nm寬（b）和100 nm寬（c）的納米線，厚度均為40 nm，置于50-nm SiO2/100-nm SiNx的懸浮襯底上。d，納米線實(shí)驗(yàn)測試吸收譜（黑點(diǎn)），對應(yīng)于實(shí)驗(yàn)尺寸的FDTD模擬結(jié)果（藍(lán)色），以及基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對模擬吸收光譜的反向擬合結(jié)果（紅色）對比，其結(jié)果表現(xiàn)出較高的一致性。e，在50-nm SiO2/100-nm SiNx懸浮膜上，40 nm厚的Sb2Te3納米線在可見光波段的吸收譜。f，在300-nm SiO2/500-nm SiNx懸浮膜上的50 nm厚，300 nm寬的Sb2Te3納米線的吸收光譜。g，在500-nm SiO2/500-nm SiNx懸浮膜上的50 nm厚，1.5微米寬的Bi2Te3納米線的中紅外吸收光譜。

在圖4中，研究人員進(jìn)一步給出了器件在不同激發(fā)角度情況下的吸收率大小及其對應(yīng)的響應(yīng)率變化。結(jié)果表明器件對帶有5度入射偏角的激發(fā)光場表現(xiàn)出最大的響應(yīng)率。當(dāng)僅有納米線陣列被照射時，器件的響應(yīng)率還可以進(jìn)一步提升兩到三倍。理論分析表明，器件響應(yīng)的最大/最小比值主要是由器件對激發(fā)輻射的吸收能力決定，因此帶有更顯著的最大/最小吸收比值的器件結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出更大的響應(yīng)比率。

圖4 器件的光譜，角度和響應(yīng)時間性能。a，器件在不同入射角度下的吸收譜，器件尺寸為40 nm厚，130 nm寬，50 微米長的線尺寸。b，對于整個結(jié)構(gòu)使用未聚焦的均勻激發(fā)光照射，在不同入射角度下的器件響應(yīng)率。c，僅當(dāng)納米線熱電偶區(qū)域被照射時的最大器件響應(yīng)率。d，器件熱電壓（TEV）對于與的入射功率的依賴關(guān)系，右軸顯示器件中部與邊緣區(qū)域的溫差ΔT。e，Bi2Te3/Sb2Te3熱電偶結(jié)構(gòu)的時間響應(yīng)（綠色）及其時間常數(shù)擬合（紅色），結(jié)果表明響應(yīng)時間約為155.13±3.06 微s。藍(lán)色數(shù)據(jù)為Si光電二極管在相同斬波速度下的響應(yīng)曲線。f，g，噪聲譜密度（NSD）和噪聲等效功率（NEP）與激發(fā)波長的關(guān)系。

研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)器件的熱電壓與激發(fā)光的入射功率呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，并與FDTD的數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。由于器件較小的幾何尺寸，使其擁有非常小的熱容，因此可以實(shí)現(xiàn)快速的升溫和降溫過程，進(jìn)而獲得更快的響應(yīng)速率。測試表明，器件的響應(yīng)上升時間和下降時間分別為155和153 微s，這樣的響應(yīng)速度足以處理絕大多數(shù)的光電探測和圖像顯示的應(yīng)用需求，比傳統(tǒng)熱電器件響應(yīng)速率快100倍。

圖4f中則給出了器件的噪聲功率譜密度（NSD），表明其電阻約為113 kW，對應(yīng)的室溫下的Johnson噪聲為42 nVHz-1/2，對應(yīng)的總體噪聲等效功率（NEP）約為108 Hz-1/2 W-1。這樣水平的噪聲譜密度主要?dú)w因于器件溫度的升高和熱電流的散粒噪聲。于此同時，實(shí)驗(yàn)還表明較長的納米線會伴隨產(chǎn)生更大的Johnson熱噪聲。由于Johnson噪聲貢獻(xiàn)了大部分的噪聲譜密度，因此降低器件的電阻可以進(jìn)一步降低其噪聲密度。

在文章的最后，作者給出一系列的器件優(yōu)化和改進(jìn)建議，包括使用熱電堆結(jié)構(gòu)，優(yōu)化熱電材料的性能，在真空環(huán)境中進(jìn)行器件性能測試，以及使用其他納米光子結(jié)構(gòu)進(jìn)一步將光場匯聚在盡可能小的區(qū)域等等。

小結(jié)

最后總結(jié)一下，這篇來自加州理工的《Nature Nanotechnology》介紹了一種帶有納米光子共振結(jié)構(gòu)的熱電探測器。該器件利用光學(xué)共振結(jié)構(gòu)有效的將光場匯聚在較小的空間范圍，因此可以在納米尺度上獲得較大的溫度梯度，并在均勻光照下顯示出帶有頻率選擇的熱電壓響應(yīng)。器件的頻率響應(yīng)特性可以由器件的幾何參數(shù)調(diào)控，并且對材料的能帶參數(shù)不敏感。由于其較小的器件體積，它擁有比傳統(tǒng)熱電探測器快100倍的響應(yīng)速率。

在這篇文章中，研究人員使用了FDTD全電磁場數(shù)值模擬研究了器件光學(xué)結(jié)構(gòu)的特性并揭示了其頻率選擇的物理機(jī)理。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果無論是在頻率分布還是強(qiáng)度上都表現(xiàn)出較高的吻合度?；贔DTD電場模擬結(jié)果而獲得的熱計(jì)算結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果接近，進(jìn)一步印證了FDTD數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度。