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我系赵自然研究员课题组超宽带电磁波探测器研究取得突破进展
发布时间:2019-04-24

我系赵自然研究员课题组近年来从光热电效应机理出发,不断探索提升材料Seebeck系数和温度梯度的方法,以便使这种探测方法早日用于旅客人身安检成像。最近,课题组同时在这两方面取得突破,并于1月15日、1月16日先后在美国化学学会(ACS)的两个期刊《ACS·光子学》(ACS Photonics)和《ACS·应用材料&界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上在线发表了最新的研究结果。在光子学领域国际权威杂志《ACS Photonics》(2018年IF 6.880)上发表的《Ultrabroadband, Sensitive, and Fast Photodetection with Needle-Like EuBiSe3 Single Crystal》(超宽带、高灵敏、快响应针形EuBiSe3单晶探测器)的研究论文,近日被选为该杂志2019年第4期补充封面文章(Supplementary Cover)(图1)。我系教师赵自然研究员与北京大学吴东老师为论文共同通讯作者,我系教师王迎新为论文第一作者。

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图1 EuBiSe3-金属异质结器件及其在紫外至太赫兹波段的光电压响应度

该文首次报道了一种由三元硒化物(EuBeSe3)合金单晶制备的紫外到太赫兹波段超宽带探测器。该研究利用高温冶金法向传统热电材料硒化铋(Bi2Se3)中掺入稀土元素铕(Eu)生长了EuBeSe3合金单晶,借助Eu原子特殊的电子能带结构和高载流子有效质量,在降低材料热导率的同时进一步提高其Seebeck系数,从而有效提升光热电响应。课题组制备了EuBiSe3-金属异质结型器件,并研究了其在紫外(375 nm)至太赫兹(163 μm)波段范围内的光热电探测性能。结果表明(图1),该器件可以在超宽带范围内获得高达1V/W且具有良好一致性的光电压响应,等效噪声功率约为1nW/Hz-1/2,响应时间比传统的硅基异质结等超宽带探测器快2个数量级。此外,EuBiSe3晶体具有自然的针形形状,在实现阵列探测方面具有明显的优势。

在纳米材料领域国际权威杂志《ACS Applied Materials & Interfaces》(2018年IF 8.097)上发表的《Annealing Temperature-Dependent Terahertz Thermal–Electrical Conversion Characteristics of Three-Dimensional Microporous Graphene》(退火温度依赖的三维微孔石墨烯的太赫兹热-电转换特性)的研究论文,首次报道了三维微孔石墨烯在太赫兹波激发下的辐射热及光热电转换特性。该项研究利用三维石墨烯丰富的化学修饰和带隙调控性质,通过高温处理使其发生含氧官能团演化和载流子类型转变,同时其具有与太赫兹波长相当的孔隙尺度,对入射太赫兹波形成近乎完美吸收,可有效提升器件温度梯度,增强太赫兹探测的灵敏度(图2)。我系教师赵自然研究员与南开大学黄毅教授为论文共同通讯作者,我系博士后陈猛、教师王迎新为论文共同第一作者。

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图2 (a)退火温度对三维微孔石墨烯(3DMG)能带及光热电特性的影响,(b) 3DMG增强碳纳米管(CNT)的太赫兹光热电响应

上述研究工作证实了太赫兹波段光热电探测的有效性,并且从材料Seebeck系数和温度梯度两方面给出了进一步提升探测灵敏度的方法,展示了光热电器件在实现室温高性能超宽带探测方面的巨大应用潜力。

由单一器件实现紫外到太赫兹电磁波段的超宽频带探测,在通信、遥感、天文观测等领域具有诱人的应用前景,但由于探测机理及高性能光敏材料的匮乏,该方向研究是学术界和产业界共同关注的焦点之一。课题组在毫米波太赫兹成像研究的过程中,一直关注高性能探测器件的研究,曾在国际上首次提出并制备了基于光热电效应的异质结太赫兹探测器原型。光热电效应包含光热转换及热电转换两个基本能量转换过程,根据光热电探测方法,当光照射热电材料一端时,光热转换使照射端温度升高,从而在材料内部形成温度梯度,载流子在温度梯度驱动下输运,由此在材料两端产生电势差,完成热电转换(即Seebeck效应)。由于光热电探测器可在自供电、非制冷模式下工作,具有响应波长范围宽的优点,尤其适合于太赫兹波段的探测。


全文链接:

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsphotonics.8b01527

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acsami.8b20095


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