Nature Nanotechnology 諧振熱電納米光子

【引言】

光電探測一般基于半導體結構中電子空穴對的光電響應或輻射熱測定器在低于能隙的波長吸收。在這兩種情況，諧振等離子和納米光子結構成功的用以提高光電探測性能。等離子體激發需要在納米尺度上實現極大的光限域，在亞波長區域內限域能量從而提高光電或光敏設備的吸收。但等離子體衰減會導致能量轉變成熱，這對光電探測器的性能來說是極為不利的。然而諧振亞波長納米結構中產生的熱也是電壓產生的能量源。盡管熱電設備已用以在貴金屬薄膜和微電極吸收諧振耦合表面等離子體激元，并在雙金屬開口環諧振器上產生超速強磁脈沖。但并沒有在功能熱電納米光子結構中作為諧振吸收器成功應用。

【成果簡介】

美國加州理工學院Harry A. Atwater（通訊作者）等人設計了一個用以諧振光譜選擇性吸收的亞波長熱電納米結構，能產生很大未聚焦的局域溫度梯度和空間均勻光照來產生熱電電壓。證實這樣的結構可以調控并用以特定波長探測，對比入射光，輸入功率響應率高達38 V W^-1，帶寬接近3 kHz。這是通過結合具單個懸掛膜結構的諧振吸收器和熱電偶獲得，產生能隙控制的光電探測機制。所報道的碲化鉍/碲化銻和鎳鉻/鎳鋁結構作為用以光電應用如無能隙限制的超光譜和寬頻光電探測器的諧振納米光子熱電材料有著重要意義。相關研究成果題為“Resonant thermoelectric nanophotonics”于Nat. Nanotech.上發表。

【圖文導讀】

圖一、導模共振和散熱設計

(a) 導模共振結構設計概念圖

(b) 40 nm高，100 nm寬的Sb₂Te₃線，間距488 nm排布，Sb₂Te₃線中心和邊緣間的理論吸收A和溫差ΔT。

(c) 吸收峰處電場截面周期結構，波矢k，朝向入射光方向。標尺1μm。Sb₂Te₃線最高|E|出現引起光吸收，平板大量反射光產生必要的溫度梯度。

(d) c模擬圖沿著切線功率密度吸收，設備一半為Sb₂Te₃，另一半為Bi₂Te₃引起不對稱。功率密度為入射功率除以熱電結構體積。

(e) Sb₂Te₃/Bi₂Te₃結構在入射功率20μW，吸收峰處的熱模擬。標尺500μm（主圖）；50μm（插圖）。

(f) 帶有Au觸頭p/n熱電結構的SEM偽色圖，標尺20μm，插圖為Bi₂Te₃/ Sb₂Te₃線結，標尺1μm。

圖二、導模共振結構設計的熱電材料性能

(a) 在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x波導，由40 nm厚、68 nm寬的線、間距488 nm排布組成，導模共振結構中不同線材料的吸收光譜對比。

(b-e) Sb₂Te₃線，導模共振結構全波段模擬。b-d，吸收峰。c-e，最小吸收位。b-c，電場分布比上初電場。d-e，功率吸收密度，P_abs=1/2ωε′′|E|²除以初功率P₀。

圖三、導模共振結構理論和實驗的超譜吸收調控性

(a) 導模共振結構。

(b-c) 60 nm寬(b)和100 nm寬(c)、 厚度40 nm的線在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x波導，不同間距下的吸收值。

(d) 實驗吸收值（黑點），模擬吸收值對應于實驗尺寸（藍線）。模擬得到的吸收值對應于在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x波導，不同間距下的適配和等比例吸收光譜。

(e) 在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x懸掛膜上，40 nm 厚Sb₂Te₃線的波長-間距吸收極圖。

(f) 在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x懸掛膜上，50 nm 厚，300 nm寬的Sb₂Te₃線的吸收光譜。

(g) 在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x懸掛膜上，50 nm 厚，15 μm寬的Bi₂Te₃線的中紅外吸收光譜。

圖四、隨時間、角度和頻譜影響的結構性能

(a) 在主基體40 nm厚130 nm寬50 μm長的Bi₂Te₃/ Sb₂Te₃線結構上，0°、5°和10°（誤差±1°）入射光下的吸收（0°和5°）或透射（?）（10°）。

(b) 具120 μm×100 μm光斑尺寸，整個結構在0°、5°和10°（誤差±1°）斜入射下的響應和空間不均勻輻射。

(c) 只有一個結（60 μm×5 μm光斑）的最大響應。

(d) 在0°（誤差±1°）離位角聚焦照明下，Bi₂Te₃/ Sb₂Te₃結構的熱電電壓（TEV）-入射功率圖。

(e) Bi₂Te₃/ Sb₂Te₃結構的時間響應。

(f-g) 噪聲譜密度（NSD）和噪聲等效功率（NEP）隨波長的變化，與b圖數據相對應。

【小結】

本文將納米光子和熱電性結合，通過高光限域來控制納米尺度區域內的溫度梯度，產生空間均勻光照下高波長控制的熱電電壓。這種波長控制可實現幾何調控，在一個芯片上從可見光到紅外，能打破能隙限制、無需降溫、濾波器的雙材料分光。由于區域小，可以較傳統熱電探測器提速100倍。通過線懸掛，熱點堆、最佳熱電材料或溫度管理可提高響應率，而縮小吸收器尺寸并減少響應時間。這將擴寬新的非制冷自過濾光探測結構領域。

文獻鏈接：Resonant thermoelectric nanophotonics（Nat. Nanotech.，2017，DOI：10.1038/nnano.2017.87）

本文由材料人編輯部電子電工學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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