紅外及太赫茲波包含大量的信息，能在醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)中得到有效的利用。紅外至太赫茲探測(cè)器還可用于檢測(cè)半導(dǎo)體芯片的微小變化，以用于提高其功能性能。此外，它可以被用于檢測(cè)空氣中的污染物，研究大氣環(huán)境等多應(yīng)用場(chǎng)景。

目前，中國(guó)尚未擁有商用室溫紅外-太赫茲寬譜探測(cè)器，國(guó)外產(chǎn)品也存在工作溫度低、易受熱源干擾、不便于攜帶、靈敏度低等問(wèn)題，無(wú)法滿足相關(guān)的應(yīng)用需求。

由于紅外-太赫茲波段光子能量較低，無(wú)法通過(guò)電子激發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，且環(huán)境的背景噪聲容易對(duì)檢測(cè)過(guò)程產(chǎn)生影響。因此，傳統(tǒng)的太赫茲探測(cè)器需要在低溫環(huán)境下工作，以便降低探測(cè)器的信噪比。這導(dǎo)致探測(cè)器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、制造成本高等缺點(diǎn)，限制了其自身的廣泛應(yīng)用及集成化。

多年來(lái)，天津大學(xué)副教授張雅婷團(tuán)隊(duì)一直致力于采用新材料與新機(jī)理相結(jié)合的方式，來(lái)研究室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的高靈敏紅外-太赫茲探測(cè)器。

（來(lái)源：Advanced Functional Materials）

在近期一項(xiàng)工作中，課題組從全新視角審視了半導(dǎo)體中帶電粒子的光-熱-電過(guò)程，根據(jù)電子、空穴的熱-電過(guò)程，類比推演到另一類一直被忽略的帶電粒子——離子。

通過(guò)分析測(cè)輻射熱計(jì)光熱電流、以及追蹤離子遷移的動(dòng)態(tài)過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)首次提出離子-測(cè)輻射熱效應(yīng)；在微納尺度深入研究離子-測(cè)輻射熱效應(yīng)的關(guān)鍵作用，并結(jié)合庫(kù)倫過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)于紅外及太赫茲波獨(dú)特的負(fù)電壓響應(yīng)；并利用離子-測(cè)輻射熱效應(yīng)，結(jié)合太赫茲埋底天線設(shè)計(jì)，構(gòu)建出一種新型紅外-太赫茲寬譜探測(cè)器，借此極大提高了太赫茲探測(cè)器的響應(yīng)性能。

概括來(lái)說(shuō)，該成果詳細(xì)研究了晶界的熱激活離子輸運(yùn)如何產(chǎn)生顯著的光電壓響應(yīng)，演示了離子測(cè)熱探測(cè)器對(duì)于近紅外和太赫茲波段的響應(yīng)性。

張雅婷表示：“這項(xiàng)成果將仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合得比較好。仿真，為實(shí)驗(yàn)提供了一定的理論指導(dǎo)和前瞻性；實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又為仿真的設(shè)計(jì)方向掌舵。我們的工作也是首次利用多物理場(chǎng)模型有機(jī)的耦合了材料學(xué)、光學(xué)、電學(xué)與熱學(xué)，這為后續(xù)的熱電探測(cè)器設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。此外，還可以在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)變式，這將節(jié)省直接實(shí)驗(yàn)花費(fèi)的人力物力，使探測(cè)器設(shè)計(jì)更加有的放矢?！?/p>

近日，相關(guān)論文以《晶界中的離子輻射熱效應(yīng)使近紅外到太赫茲光探測(cè)的高光電壓響應(yīng)成為可能》（Ion-Bolometric Effect in Grain Boundaries Enabled High Photovoltage Response for NIR to Terahertz Photodetection）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials 上，Mengyao Li 是第一作者，中科院院士&天津大學(xué)教授姚建銓以及張雅婷擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Functional Materials）

據(jù)介紹在之前的研究中，該團(tuán)隊(duì)嘗試使用大面積的鈣鈦礦材料，構(gòu)建過(guò)寬譜紅外-太赫茲探測(cè)器。實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)晶粒小的薄膜表現(xiàn)出更好的光電響應(yīng)，故對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了假設(shè)猜想。其猜想，晶界中富集缺陷態(tài)會(huì)對(duì)熱載流子遷移的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

由于鈣鈦礦材料合成過(guò)程的特性和理化穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)多次討論之后課題組使用聚焦離子束（FIB，F(xiàn)ocused Ion beam）的方法，定向加工微納尺寸的鈣鈦礦器件。通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控，可以控制器件中晶界的排列方向與占比。

結(jié)合光電檢測(cè)性能的對(duì)比，研究人員對(duì)上述假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證。但卻發(fā)現(xiàn)初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果和他們的設(shè)想并不一致：即器件的特征性能指標(biāo)和其晶界濃度之間的相關(guān)性較低。因此僅從初步結(jié)果來(lái)看，晶界并不是器件性能的關(guān)鍵影響因素。

但是，該團(tuán)隊(duì)并未放棄這個(gè)課題，而是決定直接追蹤納米尺度下的熱空穴過(guò)程。從兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不一致性上他們發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)器件的響應(yīng)過(guò)程中，可能存在另一種之前一直被忽略的帶電粒子也就是離子的參與。

基于這一觀點(diǎn)，他們又進(jìn)一步對(duì)熱極化后的器件進(jìn)行表征，結(jié)果很好地印證了他們的猜想——在鈣鈦礦對(duì)紅外-太赫茲的光-熱-電響應(yīng)過(guò)程中，晶界的離子參與了整個(gè)過(guò)程，并補(bǔ)充了光熱電流。同時(shí)，由于其在界面處的富集會(huì)產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，即表現(xiàn)為光生電壓。

但在這時(shí)新的問(wèn)題又出現(xiàn)了，由于器件面積較小，且材料本身對(duì)太赫茲波的吸收很弱，因此必須使用天線結(jié)構(gòu)聚焦太赫茲波實(shí)現(xiàn)響應(yīng)探測(cè)。而鈣鈦礦的理化性質(zhì)，不允許進(jìn)行光刻操作。

經(jīng)過(guò)多次討論之后，該團(tuán)隊(duì)初步敲定了埋底天線設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)仿真模擬計(jì)算確定了如下規(guī)律：這種位于介質(zhì)下面的對(duì)數(shù)周期天線，也可以實(shí)現(xiàn)較高的增益系數(shù)，借此加工出的太赫茲探測(cè)器能表現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)性能。

回顧研究全程，張雅婷表示：“相較于發(fā)表高水平的論文，我也希望為國(guó)家微納光電探測(cè)事業(yè)做出貢獻(xiàn)，同時(shí)我也關(guān)注對(duì)于年輕一代學(xué)生的培養(yǎng)，著重培養(yǎng)他們的獨(dú)立思考能力，在實(shí)踐與錯(cuò)誤中摸索出一條屬于他們自己的科研道路。我常常告訴學(xué)生：沒(méi)有失敗的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷，就不會(huì)有對(duì)科學(xué)的敬畏之心。每一份樣品在測(cè)試儀器下都蘊(yùn)含著成功的希望，不要害怕實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的挫折。在保持理性分析的思考下，也需要‘適當(dāng)?shù)母行浴?，相信自己的研究終會(huì)帶來(lái)成果，以及不要懷疑自己所具備的能量?！?/p>

審核編輯 ：李倩