天津大學姚建銓團隊Advanced Functional Materials：基于晶界離子測熱效應的高性能近紅外到太赫茲光電探測器

一、[導讀]

高性能寬譜太赫茲探測器在生物安全成像、空間通訊等領域顯示出廣闊的應用前景。在該光譜區域，電磁光電探測器和光子光電探測器通常需要額外的冷卻系統或精確的天線結構，以現有技術難以實現大規模集成。基于光熱過程的探測器，如測輻射熱計，這種探測器可以在室溫下工作，并且沒有波長選擇性。測輻射熱計吸收輻射并將其轉化為溫升，然后引起可以作為電信號分析的電阻變化，具有制作簡單、成本低、易于集成等優點。大多數輻射熱計的性能研究集中在吸光度、與環境的熱交換和電子-聲子碰撞，但晶界對測輻射熱計的重要性尚未作為增強測輻射熱計效果的實際因素進行研究。

二、[成果掠影]

近日，天津大學姚建銓院士和張雅婷副教授設計了一種基于離子測輻射熱效應的新型光電探測器，極大地提高了太赫茲探測器的響應性能。通過分析具有不同晶體結構的鈣鈦礦測輻射熱計，并通過微納尺度光電性能相關測試，合理化了晶界處廣泛存在的缺陷態對電流響應的抑制。另一方面，晶界處的離子受到熱激發能夠補充因缺陷態損失的光電流，由于離子遷移產生的內建電場會隨光熱過程的強度產生周期性變化。據此，我們首次報道了基于離子測輻射熱效應的鈣鈦礦探測器，對紅外和太赫茲波可實現kV/W的高響應。同時，基于離子輻射熱效應的探測器展示出進行大面積成像應用的潛力。相關成果以“Ion-Bolometric Effect in Grain Boundaries Enabled High Photovoltage Response for NIR to Terahertz Photodetection”為題發表在國際頂級期刊Advanced Functional Materials上。

三、[核心創新點]

（1）深入研究了：晶界處的I^-離子受光熱激發后，富集到電極/鈣鈦礦界面，產生自發極化電場的過程。我們稱其為離子測輻射熱效應；

（2）利用該過程，提出并構建了（首個）離子測輻射熱探測器，能夠實現寬譜（紅外-太赫茲）的光熱電壓響應，靈敏度達75.3kV/W@1064nm，2.3kV/W@0.22THz。

四、[數據概覽]

圖1?（a）制備鈣鈦礦輻射熱計的FIB原理圖。（b-d）不同類型的輻射熱計的SEM圖像。（e-g）暗態和1064 nm光照下的電流-電壓(I-V)曲線。??2023?Wiley-VCH Verlag

圖2?（a）不同類型的輻射熱計的電流作為1064nm功率強度的函數。（b）MAPbI₃的?CAFM測量結果。（c）CAFM圖中白色虛線對應的電流和高度圖。（d-f）不同類型的輻射熱計隨周期變化的光電流響應特征曲線。??2023?Wiley-VCH Verlag

圖3?電極化及疊加光極化后，薄膜表面（a）I 3d和（b）?Pb 4f的XPS峰，以及I/Pb比值。（d）不同類型的輻射熱計隨周期變化的1064nm激光，產生的光電流響應特征曲線。（e）離子-測輻射熱效應示意圖。（f）不同類型的輻射熱計的電壓響應度作為1064nm功率強度的函數。??2023?Wiley-VCH Verlag

圖4?(a)帶埋底天線的太赫茲輻射熱計三維示意圖。（b）帶埋底天線的太赫茲輻射熱計在0.22 THz不同功率密度下的I-V特性。（c）離子輻射熱計的光電壓和電壓響應度作為0.22 THz功率強度的函數。（d）太赫茲成像實驗裝置示意圖。e)中空花紋金屬板的光學圖像(下)和通過輻射熱計獲得的太赫茲成像(上)。??2023?Wiley-VCH Verlag

五、[成果啟示]

離子測熱效應結合了測熱計效應的廣譜特征和離子遷移引起的溫度敏感性，為通過晶界工程改進室溫輻射熱計的性能提供了一個新思路。

原文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202213970

本文由作者供稿