beat365官方网站現代光學研究所“極端光學團隊”呂國偉研究員和龔旗煌院士等在超表面調控砷化镉光電探測器響應研究中取得重要進展：基于超表面微納結構調控光學準柱面波，實現砷化镉光熱電探測器的寬波段增強和偏振依賴響應。相關成果以“Metasurface Enabled Photothermoelectric Photoresponse ofSemimetal Cd3As2for Broadband Photodetection”為題，近日在線發表于《納米快報》（Nano Letters）。

狄拉克半金屬砷化镉因其超高載流子遷移率、寬波段光電響應、優異光響應度、超快光響應速率等優勢，成為高性能光電探測器的新興材料。砷化镉光電流響應是基于光激發産生電子空穴對的電荷分離過程。其電荷分離機制包括光生伏特效應、光緻丹倍效應以及光熱電效應等。其中光生伏特和光緻丹倍效應通常發生在砷化镉與電極的接觸區域，限制了該類探測器光電響應區域及潛在應用。

beat365“極端光學團隊”長期緻力于低維材料光學特性的超高時空分辨研究，研究團隊利用飛秒光發射電子顯微鏡，從時間空間和能量等多維度研究了砷化镉納米片的載流子超快弛豫動力學過程；進一步發現砷化镉納米片表面存在顯著的準柱面波光學模式，并且通過人工微納結構實現了對準柱面波調控（J. Phys. Chem. C2022, 126, 3134；Adv. Photonics Res.2022, 2100354），如圖1所示。準柱面波廣泛存在于金屬和半導體等材料體系中，例如砷化镉和矽等，具有非共振寬譜響應等特點，準柱面波為光電器件的性能調控提供了一種有效途徑。由于砷化镉半金屬具有優異的熱電性質，因此，通過超表面結構調控其光熱電響應是實現有效電荷分離的新途徑。

圖1. 光發射電子顯微鏡觀測砷化镉納米片表面的準柱面波光場以及微納結構對準柱面波光場的調控

（Adv. Photonics Res.2022, 2100354）

實驗上，研究人員設計并在砷化镉納米片上制備了超表面結構，用以調節砷化镉光電探測器的光熱電響應，實現光電響應區域的任意調節。通過超表面結構可以增強器件的光吸收率，在超表面邊界附近形成溫度梯度，進而産生光熱電響應。原位光電響應掃描成像測試表明超表面邊界的光熱電響應相比電極接觸區域的光生伏特響應更高。功率依賴測試表明砷化镉超表面器件是二階線性依賴光響應，如圖2所示。該砷化镉超表面器件可以在0.488 μm至4.0 μm寬波段範圍内産生光熱電效應增強的光電響應，器件的光電響應度達1 mA/W。此外，砷化镉本征材料光學特性是各向同性，超表面可賦予器件各向異性即偏振依賴光電流響應。飛秒光發射電子顯微鏡高分辨表征證實了砷化镉超表面結構中準柱面波光學模式，超表面光吸收增強是由于準柱面波、散射光場、以及入射光場的幹涉增強效果，如圖3所示。該研究結果表明通過人工超表面結構調控可顯著提高基于半金屬材料光熱電響應器件的性能。

圖2. 砷化镉超表面器件光電流響應;（a）砷化镉超表面器件電鏡圖;（b）器件掃描光電流測量示意圖;（c）光反射掃描成像;（d）光電流掃描成像;（e）光電流強度分布圖;（f）光電流響應功率依賴測量

圖3.（a）模拟計算砷化镉超表面吸收光譜;（b）接觸電極區域各向同性光電流響應;（c）超表面邊界區域各向異性光電流響應;（d）砷化镉超表面電鏡形貌;（e）砷化镉超表面結構與準柱面波的光發射電子顯微鏡成像;（f）超表面光熱電響應機制

beat365官方网站博士生薛朝航、範子璞、廖馨是文章共同第一作者，呂國偉研究員、孫棟研究員、廖志敏教授為共同通訊作者。研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子材料科學中心、量子質科學協同創新中心、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目和極端光學協同創新中心的支持。

文章鍊接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c03574