导读

新加坡国立大学电子和计算机工程学院的Chengkuo Lee（李正国）教授课题组和Cheng-Wei Qiu (仇成伟)教授课题组，近期报道了一种无外部耗能的高效率中红外石墨烯光电探测器。基于石墨烯中光电流的全局性和定向性特点 [1]，研究人员们有针对性地设计了中心对称破缺的纳米天线，从而使得入射红外光信号能够被在无偏置电压的情况下被高效读出。这类器件中的光电信号无须偏压且具有空间均匀性、可累加性和偏振特性，与自然界中一种有趣的体光伏效应有内在相似处，所以被称之为“人造体光伏效应” (artificial bulk photovoltaic effect)。相关工作以《Zero-bias Mid-infrared Graphene Photodetectors with Bulk Photoresponse and Calibration-free Polarization Detection》为题发表在《Nature Communications》上（DOI: 10.1038/s41467-020-20115-1）。 

研究背景

光电探测在科学和工程领域都有非常重要的地位。人眼作为一种自然的光电探测器件，只能探测很少一部分可见光信号。而那些肉眼不可见的光学信号，譬如红外光，能够给我们提供非常多宝贵信息。波长在3-8微米的红外光又叫做中红外光。此波段在实际中应用非常广泛，包括了红外体温仪，夜视仪，红外制导，生物传感，无线通讯等。

      但是传统的中红外探测手段严重依赖于液氮冷却的复合半导体。这类方法给小型化和低廉化带来了非常大的困难，从而限制了便携红外探测设备的普及。另一方面，基于辐射热测量计的设备虽然已经实现商用，但是其响应速度被严重限制在毫秒级别且制备过程复杂。

       石墨烯，作为一种带隙为零的半金属，其响应速度可以达到GHz，理论上非常适合用于中红外光的探测 [2]。而实际上，基于石墨烯的光电器件往往都需要通过加偏置电压来读取信号。但因为石墨烯只有很小的电阻，所以一个很小的偏置电压都会带来很大的暗电流。考虑到现实设备中往往需要上万颗这样的器件，由此带来的整体耗能将是惊人的。此外，大的暗电流也会造成严重的器件发热问题，进而影响使用寿命以及噪声水平等。

创新研究

有鉴于此，研究者提出一种基于纳米天线的新型无须外部偏置电压的中红外光电探测方法（图1a）。通过在石墨烯上设计一些中心对称破缺的纳米天线，使得原本均匀的入射红外光可以在亚波长尺度下被打破对称性，主要集中在纳米天线的一侧。这么一个纳米尺度的位置变化，却足以使得原本整体贡献为零的纳米天线-石墨烯界面处的光电流拥有一个主导的流动方向，从而可以在不加外部电压的时候也能够产生自驱动式的电流。此外，由于纳米天线中局域化表面等离激元的场增强作用，这种光响应的效率也得到很大的提升。

       最为引人注目的，是这类光电响应的可累加性（见原文），以及偏振特性（图1b）。这种可累加性使得我们的器件是可拓展的，从而可以适用于对尺寸要求不同的应用。其偏振特性则让我们的器件也可以用在下一代小型偏振探测设备中。因为我们器件中的光电流是有方向性的，所以其光电流符号甚至可以随着偏振角度而改变。这与自然界里主要存在于铁电材料中的体光伏效应有内在相似处，故而我们称之为人工体光伏效应。

图1：（a）器件原理图。（b）光电流随入射光偏振角度的变化。

此外，该器件也具有一般石墨烯探测器通有的优点，诸如门电压可调，响应速度快，以及在无偏压时的低噪声等（图2）。在4微米波长，研究人员测到的响应强度达到36.3 mA/W，由此得到的噪声等效功率（NEP）达到0.12 nW/Hz-1/2。

图2：器件表征。

为了凸显人工体光伏效应的特点，并与一般偏振敏感光电器件做出区别，我们又专门设计了一种三端口器件（图3）。因为光电流的方向性以及器件的对称性（旋转对称和三个对称轴），该器件可以只通过单次测量端口处的电流而唯一确定入射偏振光的偏振角度，且不受入射强度、非偏振分量以及圆偏振分量的影响。

图3：基于人工体光伏效应设计的三端口器件。（a）电子显微镜伪色图。（b）光电流随入射光偏振角度的变化。

总 结

该工作提出了一种新型的非制冷型的中红外探测器，对片上集成的偏振探测也很有价值。更进一步地说，该方法未来可以被改进并用来测量光学的其他内秉和外秉属性，譬如波长、入射角度、自旋和轨道角动量等。相关结果显示了纳米天线-石墨烯结构在中红外和功能性光电探测器上的巨大潜力。

      戳“二维码”查看英文文献 

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20115-1

消息来源：两江科技评论