利用納米共振結(jié)構(gòu)對入射光場的選擇性匯聚來實(shí)現(xiàn)高性能的熱電探測

光電探測器件的工作性能可以使用納米光子學(xué)結(jié)構(gòu)獲得極大的增強(qiáng)，例如表面等離子激元、光學(xué)晶體等。這主要得益于光學(xué)共振模式可以將入射光場能量有效的匯聚在亞波長的空間范圍內(nèi)，同時(shí)還可以為器件引入天然的頻率選擇特性。

然而，在使用表面等離子激元共振的同時(shí)往往會(huì)不可避免的引入寄生吸收損耗，例如金屬材料發(fā)熱，從而對光電轉(zhuǎn)換效率造成負(fù)面影響。如果我們將局部光場制熱與熱電材料相結(jié)合，將這些“耗損熱”轉(zhuǎn)換為電能予以測量，便可以變廢為寶，甚至還可以極大的提升熱電器件的工作性能。

今天和大家介紹的這篇來自美國加州理工大學(xué)Harry Atwater教授研究團(tuán)隊(duì)的《Nature Nanotechnology》便是利用上述原理，在50到110微米的尺度上，通過利用納米共振結(jié)構(gòu)對入射光場的選擇性匯聚來實(shí)現(xiàn)高性能的熱電探測。

該器件通過光學(xué)結(jié)構(gòu)對入射光可調(diào)的選擇性吸收和局部匯聚，即便在均勻的入射光場下也可以在器件內(nèi)部形成溫度梯度并進(jìn)而獲得熱電壓，其對入射功率的響應(yīng)率可以達(dá)到38 VW-1，帶寬約為3 kHz，比傳統(tǒng)熱電器件的響應(yīng)速率快10到100倍。同時(shí)由于器件基于熱電效應(yīng)工作，因此也就對材料的能帶特性不敏感。

而在這篇文章中，研究人員使用了大量的FDTD全電磁場數(shù)值模擬來還原器件的工作場景，尤其是對納米光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)以及器件內(nèi)部熱功率的生成提供了生動(dòng)而詳盡的物理圖像，并為最終的參數(shù)選優(yōu)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。下面我們一起來了解一下。

圖1a中給出了器件的結(jié)構(gòu)示意圖。整個(gè)器件由約40 nm厚的Bi2Te3與Sb2Te3構(gòu)成，制造于由SiO2和SiNx疊層構(gòu)成的懸空熱絕緣層上。熱電材料在器件中部區(qū)域被制造為長50微米，寬為100 nm，間距為數(shù)百納米的納米線陣列。

圖1 波導(dǎo)共振模式與熱設(shè)計(jì)。a，波導(dǎo)共振熱電探測器結(jié)構(gòu)示意圖。b，對于間隔為488 nm，尺寸為40 nm×100 nm的Sb2Te3納米線的吸收率A和與邊緣平面區(qū)域?qū)Ρ鹊臏囟炔瞀。c，F(xiàn)DTD模擬計(jì)算的入射光電場分布。圖中比例尺為1 微米。最高電場強(qiáng)度|E|發(fā)生在納米線區(qū)域，導(dǎo)致顯著的吸收并發(fā)熱。d，c中模擬模型橫截面上納米線的吸收功率分布，左側(cè)對應(yīng)Sb2Te3而另一半是Bi2Te3。e，Bi2Te3/Sb2Te3納米線熱電偶結(jié)構(gòu)在吸收峰值下的熱模擬結(jié)果，入射光功率為20 微W。比例尺，500 μm（主圖像）; 50微米（插圖）。f，具有Au接觸點(diǎn)的p/n熱電偶結(jié)構(gòu)SEM照片。比例尺，20 微米。插圖：Bi2Te3/Sb2Te3納米線之間的連接點(diǎn)。比例尺，1 微米。

通過FDTD全電磁場數(shù)值模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)這些周期性的納米線陣列可以有效的將TM偏振的垂直入射光耦合進(jìn)自己的波導(dǎo)模式并產(chǎn)生出強(qiáng)烈的共振，從而實(shí)現(xiàn)在局部范圍對光能的選擇性吸收增強(qiáng)（圖1b,c）。器件工作時(shí)，這些納米線陣列因?yàn)閷θ肷涔獾奈斩植可郎兀挥诖送瑫r(shí)，器件外側(cè)的熱電材料形成了較大面積的平面區(qū)域，可以通過對大部分入射光的有效反射而保持在一個(gè)溫度相對較低的狀態(tài)（圖1d,e）。通過這樣的原理，器件獲得了從中心納米線區(qū)域到邊緣平面區(qū)域的溫度差異并進(jìn)而獲得熱電壓。

根據(jù)熱電領(lǐng)域的Seebeck原理，器件兩端的熱電壓正比于其兩端的溫差以及材料的Seebeck系數(shù)。因此，實(shí)現(xiàn)器件局部區(qū)域的有效加熱，或者說對光能的有效匯聚吸收，并同時(shí)抑制器件通過輻射、對流和傳導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)致的熱能散失對于增大器件的熱響應(yīng)電壓至關(guān)重要。在本器件中，研究人員通過將納米線陣列置于一個(gè)超薄懸空的熱隔離層上，并使用較低熱導(dǎo)率的襯底材料，最大可能的阻絕了器件熱區(qū)的熱能損耗，從而在器件的中心與邊緣區(qū)域之間制造最大約2~3 K的溫差。這一結(jié)果也與基于FDTD的仿真預(yù)測相吻合。

有效的局部加熱得益于納米光學(xué)共振結(jié)構(gòu)對光場的匯聚。理論計(jì)算表明，器件中部的納米線的共振模式主要由其波導(dǎo)模式和薄膜Fabry-Perot共振的Fano干涉形成。在圖2中，研究人員給出了在使用相同納米線尺寸以及襯底結(jié)構(gòu)下，不同材料的共振吸收峰分布?？梢钥吹絊b2Te3和較其他材料而言在共振波長處顯示出較大的消光系數(shù)。圖2b-d中給出了Sb2Te3納米線截面上在最大吸收波長下的共振模式，圖2c-e則給出了其在最小吸收波長下的共振模式。計(jì)算表明，由于波導(dǎo)模式與Fabry-Perot共振模式相長干涉，入射光電場在最大吸收波長下可以強(qiáng)烈的聚集在在納米線區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)對納米線的有效加熱。

圖2 基于波導(dǎo)共振模式的熱電材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。a，不同熱電材料的納米線吸收譜對比，納米線尺寸均為40 nm厚，68 nm寬，間距為488 nm。底部襯底為在50 nm厚的SiO2和100 nm 的SiNx波導(dǎo)。b-e，導(dǎo)波共振模式的模擬。b，d，吸收峰值處的歸一化電場分布與吸收功率分布。c，e，吸收最小時(shí)的歸一化電場分布與吸收功率分布。功率吸收密度由Pabs = 1/2ωε''|E|2求得，P0為入射功率。

與此同時(shí)，研究人員可以通過控制納米線陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)控器件的響應(yīng)波長，使器件顯現(xiàn)出極為豐富的應(yīng)用潛力（圖3e-g）。圖3b中給出了器件在不同納米線幾何參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)與模擬的吸收率對比，主要可以調(diào)控的參數(shù)信息包括納米線的高度，寬度以及其陣列內(nèi)部間距。圖3d則對應(yīng)的給出了在不同納米線間距下，器件實(shí)測的吸收率與基于FDTD的仿真結(jié)果的對比，其結(jié)果無論是在頻率分布還是響應(yīng)強(qiáng)度上都表現(xiàn)出較高的一致性。研究人員通過將仿真模擬結(jié)果反向擬合到實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，它們之間的細(xì)節(jié)差異主要來自于納米線材料的寄生損耗。

圖3 波導(dǎo)共振結(jié)構(gòu)的吸收譜參數(shù)依賴關(guān)系。a，納米線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。b，c，不同間距的納米線吸收譜的變化，其中納米線尺寸為60 nm寬（b）和100 nm寬（c）的納米線，厚度均為40 nm，置于50-nm SiO2/100-nm SiNx的懸浮襯底上。d，納米線實(shí)驗(yàn)測試吸收譜（黑點(diǎn)），對應(yīng)于實(shí)驗(yàn)尺寸的FDTD模擬結(jié)果（藍(lán)色），以及基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對模擬吸收光譜的反向擬合結(jié)果（紅色）對比，其結(jié)果表現(xiàn)出較高的一致性。e，在50-nm SiO2/100-nm SiNx懸浮膜上，40 nm厚的Sb2Te3納米線在可見光波段的吸收譜。f，在300-nm SiO2/500-nm SiNx懸浮膜上的50 nm厚，300 nm寬的Sb2Te3納米線的吸收光譜。g，在500-nm SiO2/500-nm SiNx懸浮膜上的50 nm厚，1.5微米寬的Bi2Te3納米線的中紅外吸收光譜。

在圖4中，研究人員進(jìn)一步給出了器件在不同激發(fā)角度情況下的吸收率大小及其對應(yīng)的響應(yīng)率變化。結(jié)果表明器件對帶有5度入射偏角的激發(fā)光場表現(xiàn)出最大的響應(yīng)率。當(dāng)僅有納米線陣列被照射時(shí)，器件的響應(yīng)率還可以進(jìn)一步提升兩到三倍。理論分析表明，器件響應(yīng)的最大/最小比值主要是由器件對激發(fā)輻射的吸收能力決定，因此帶有更顯著的最大/最小吸收比值的器件結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出更大的響應(yīng)比率。

圖4 器件的光譜，角度和響應(yīng)時(shí)間性能。a，器件在不同入射角度下的吸收譜，器件尺寸為40 nm厚，130 nm寬，50 微米長的線尺寸。b，對于整個(gè)結(jié)構(gòu)使用未聚焦的均勻激發(fā)光照射，在不同入射角度下的器件響應(yīng)率。c，僅當(dāng)納米線熱電偶區(qū)域被照射時(shí)的最大器件響應(yīng)率。d，器件熱電壓（TEV）對于與的入射功率的依賴關(guān)系，右軸顯示器件中部與邊緣區(qū)域的溫差ΔT。e，Bi2Te3/Sb2Te3熱電偶結(jié)構(gòu)的時(shí)間響應(yīng)（綠色）及其時(shí)間常數(shù)擬合（紅色），結(jié)果表明響應(yīng)時(shí)間約為155.13±3.06 微s。藍(lán)色數(shù)據(jù)為Si光電二極管在相同斬波速度下的響應(yīng)曲線。f，g，噪聲譜密度（NSD）和噪聲等效功率（NEP）與激發(fā)波長的關(guān)系。

研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)器件的熱電壓與激發(fā)光的入射功率呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，并與FDTD的數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。由于器件較小的幾何尺寸，使其擁有非常小的熱容，因此可以實(shí)現(xiàn)快速的升溫和降溫過程，進(jìn)而獲得更快的響應(yīng)速率。測試表明，器件的響應(yīng)上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為155和153 微s，這樣的響應(yīng)速度足以處理絕大多數(shù)的光電探測和圖像顯示的應(yīng)用需求，比傳統(tǒng)熱電器件響應(yīng)速率快100倍。

圖4f中則給出了器件的噪聲功率譜密度（NSD），表明其電阻約為113 kW，對應(yīng)的室溫下的Johnson噪聲為42 nVHz-1/2，對應(yīng)的總體噪聲等效功率（NEP）約為108 Hz-1/2 W-1。這樣水平的噪聲譜密度主要?dú)w因于器件溫度的升高和熱電流的散粒噪聲。于此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還表明較長的納米線會(huì)伴隨產(chǎn)生更大的Johnson熱噪聲。由于Johnson噪聲貢獻(xiàn)了大部分的噪聲譜密度，因此降低器件的電阻可以進(jìn)一步降低其噪聲密度。

在文章的最后，作者給出一系列的器件優(yōu)化和改進(jìn)建議，包括使用熱電堆結(jié)構(gòu)，優(yōu)化熱電材料的性能，在真空環(huán)境中進(jìn)行器件性能測試，以及使用其他納米光子結(jié)構(gòu)進(jìn)一步將光場匯聚在盡可能小的區(qū)域等等。

小結(jié)

最后總結(jié)一下，這篇來自加州理工的《Nature Nanotechnology》介紹了一種帶有納米光子共振結(jié)構(gòu)的熱電探測器。該器件利用光學(xué)共振結(jié)構(gòu)有效的將光場匯聚在較小的空間范圍，因此可以在納米尺度上獲得較大的溫度梯度，并在均勻光照下顯示出帶有頻率選擇的熱電壓響應(yīng)。器件的頻率響應(yīng)特性可以由器件的幾何參數(shù)調(diào)控，并且對材料的能帶參數(shù)不敏感。由于其較小的器件體積，它擁有比傳統(tǒng)熱電探測器快100倍的響應(yīng)速率。

在這篇文章中，研究人員使用了FDTD全電磁場數(shù)值模擬研究了器件光學(xué)結(jié)構(gòu)的特性并揭示了其頻率選擇的物理機(jī)理。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果無論是在頻率分布還是強(qiáng)度上都表現(xiàn)出較高的吻合度。基于FDTD電場模擬結(jié)果而獲得的熱計(jì)算結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果接近，進(jìn)一步印證了FDTD數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度。