锁相放大器OE1022在自卷曲三维光热电探测器测量中的应用

图1.实验结果进一步验证了该自卷曲管状碲基探测器(Self-rolled Tubular Tellurium-based Detector,下称TTD)对光探测性能提升的显著效果

2024年7月，复旦大学材料科学系梅永丰/黄高山课题在光学重要期刊Light: Science & Applications上发表了题为“Enhanced photothermoelectric conversion in self-rolled tellurium photodetector with geometry-induced energy localization”的研究论文。该研究利用自卷曲技术，将作为光热电活性材料的碲纳米薄膜从衬底分离并组装成三维管状自驱动光探测器，揭示了器件中的光、热能量局域以及三维尺度下的光-热-电转换机制，实现了宽带光探测及灵敏度提升，为多维度光电探测提供了有效的解决方案。

局域光能和热能以实现高效的光热电转换对于高性能光热电探测至关重要。但微纳尺度器件在多物理场耦合作用下的研究，尤其是衬底影响，正在面临挑战。随着片上集成器件向三维发展，三维微纳器件的构效关系需深入探究。利用纳米薄膜剥离技术构建独立的三维微纳结构，可以有效局域光热能量，为器件实用化提供重要支持。

测量方法与部分实验结果

研究团队采用光热电活性材料，并通过自卷曲纳米技术，利用纳米薄膜的纵向内应变梯度，将从衬底脱离的纳米薄膜重新组装成三维卷曲结构(图1a)。这种结构由于谐振效应，能够将光场能量集中于悬空的三维管壁中(图1b)，导致更大的温差，进而在热电转换过程中产生显著的电势差。实验结果进一步验证了该自卷曲管状碲基探测器(Self-rolled Tubular Tellurium-based Detector,下称TTD)对光探测性能提升的显著效果，自驱动光生电压实现了307倍的提升。

团队深入探究了自卷曲探测器中的光热电效应及其位置依赖性。图2(a-b)展示了自卷曲光热电器件内入射光的位置与产生的光生电流强度和方向之间的映射关系，从而证实了三维结构中光-热-电的耦合与转换效率。图2(c)展示了在不同波长的激光照射下，TTD的自驱动光生电压(Vph)与入射光功率密度(Pλ)之间存在良好的线性关系，这证实了TTD在宽波长范围内对光的敏感性和自驱动光探测能力。图2(d)展示了在不同波长的激光照射下，TTD的电压响应度(RV)随入射光功率密度(Pλ)的变化。在940 nm激光照射下，TTD的RV达到了252.13 V W?1，这是一个非常高的值，表明TTD在该波长下的光热电转换效率非常高。综上所述，TTD展现了其在从可见光到长波红外的超宽波段范围内实现自驱动光探测的能力。TTD的自驱动特性意味着它可以在无需外部电源的情况下工作，这为便携式和远程光探测应用提供了便利。

图2. 自卷曲探测器的光热电效应验证：a-b. 研究所用空间坐标系，以及光生电流的位置依赖关系的示意图和实验结果;c-d. 多波长激发下入射光功率与自驱动光生电压，电压响应度关系曲线。

本研究中所有光响应测量结果，包括光电流映射、光电压线扫描和其他光电特性，均由 MStarter 200 探针台、Keysight B2902B 和 锁相放大器(OE1022)测量。

总结

本项研究采用了三维自卷曲纳米技术，并结合了热电功能材料，成功设计并制造了新型的自卷曲三维光热电探测器。该三维管状结构显著增强了光吸收和热局域效果，并通过局部集中的光热能量，提高了光-热-电转换效率。该自卷曲光热电探测器不仅具有高灵敏度和宽光谱响应范围，还具备自驱动、全向探测和偏振成像等独特功能，预示着其在片上集成光电系统中的应用潜力巨大。

审核编辑 黄宇