紅外及太赫茲波包含大量的信息，能在醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測中得到有效的利用。紅外至太赫茲探測器還可用于檢測半導(dǎo)體芯片的微小變化，以用于提高其功能性能。此外，它可以被用于檢測空氣中的污染物，研究大氣環(huán)境等多應(yīng)用場景。
目前，中國尚未擁有商用室溫紅外-太赫茲寬譜探測器，國外產(chǎn)品也存在工作溫度低、易受熱源干擾、不便于攜帶、靈敏度低等問題，無法滿足相關(guān)的應(yīng)用需求。
由于紅外-太赫茲波段光子能量較低，無法通過電子激發(fā)的方式實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，且環(huán)境的背景噪聲容易對檢測過程產(chǎn)生影響。因此，傳統(tǒng)的太赫茲探測器需要在低溫環(huán)境下工作，以便降低探測器的信噪比。這導(dǎo)致探測器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、制造成本高等缺點，限制了其自身的廣泛應(yīng)用及集成化。
多年來，天津大學(xué)副教授張雅婷團隊一直致力于采用新材料與新機理相結(jié)合的方式，來研究室溫運轉(zhuǎn)的高靈敏紅外-太赫茲探測器。
（來源：Advanced Functional Materials）
在近期一項工作中，課題組從全新視角審視了半導(dǎo)體中帶電粒子的光-熱-電過程，根據(jù)電子、空穴的熱-電過程，類比推演到另一類一直被忽略的帶電粒子——離子。
通過分析測輻射熱計光熱電流、以及追蹤離子遷移的動態(tài)過程，該團隊首次提出離子-測輻射熱效應(yīng)；在微納尺度深入研究離子-測輻射熱效應(yīng)的關(guān)鍵作用，并結(jié)合庫倫過程實現(xiàn)對于紅外及太赫茲波獨特的負電壓響應(yīng)；并利用離子-測輻射熱效應(yīng)，結(jié)合太赫茲埋底天線設(shè)計，構(gòu)建出一種新型紅外-太赫茲寬譜探測器，借此極大提高了太赫茲探測器的響應(yīng)性能。
概括來說，該成果詳細研究了晶界的熱激活離子輸運如何產(chǎn)生顯著的光電壓響應(yīng)，演示了離子測熱探測器對于近紅外和太赫茲波段的響應(yīng)性。
張雅婷表示：“這項成果將仿真與實驗結(jié)果結(jié)合得比較好。仿真，為實驗提供了一定的理論指導(dǎo)和前瞻性；實驗結(jié)果，又為仿真的設(shè)計方向掌舵。我們的工作也是首次利用多物理場模型有機的耦合了材料學(xué)、光學(xué)、電學(xué)與熱學(xué)，這為后續(xù)的熱電探測器設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。此外，還可以在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)變式，這將節(jié)省直接實驗花費的人力物力，使探測器設(shè)計更加有的放矢。”
近日，相關(guān)論文以《晶界中的離子輻射熱效應(yīng)使近紅外到太赫茲光探測的高光電壓響應(yīng)成為可能》（Ion-Bolometric Effect in Grain Boundaries Enabled High Photovoltage Response for NIR to Terahertz Photodetection）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials 上，Mengyao Li 是第一作者，中科院院士&天津大學(xué)教授姚建銓以及張雅婷擔任共同通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Functional Materials）
據(jù)介紹在之前的研究中，該團隊嘗試使用大面積的鈣鈦礦材料，構(gòu)建過寬譜紅外-太赫茲探測器。實驗中，他們發(fā)現(xiàn)晶粒小的薄膜表現(xiàn)出更好的光電響應(yīng)，故對這一現(xiàn)象進行了假設(shè)猜想。其猜想，晶界中富集缺陷態(tài)會對熱載流子遷移的過程會產(chǎn)生一定的影響。
由于鈣鈦礦材料合成過程的特性和理化穩(wěn)定性，經(jīng)過多次討論之后課題組使用聚焦離子束（FIB，F(xiàn)ocused Ion beam）的方法，定向加工微納尺寸的鈣鈦礦器件。通過對加工過程的精準調(diào)控，可以控制器件中晶界的排列方向與占比。
結(jié)合光電檢測性能的對比，研究人員對上述假設(shè)進行驗證。但卻發(fā)現(xiàn)初步實驗結(jié)果和他們的設(shè)想并不一致：即器件的特征性能指標和其晶界濃度之間的相關(guān)性較低。因此僅從初步結(jié)果來看，晶界并不是器件性能的關(guān)鍵影響因素。
但是，該團隊并未放棄這個課題，而是決定直接追蹤納米尺度下的熱空穴過程。從兩種實驗結(jié)果的不一致性上他們發(fā)現(xiàn)，在整個器件的響應(yīng)過程中，可能存在另一種之前一直被忽略的帶電粒子也就是離子的參與。
基于這一觀點，他們又進一步對熱極化后的器件進行表征，結(jié)果很好地印證了他們的猜想——在鈣鈦礦對紅外-太赫茲的光-熱-電響應(yīng)過程中，晶界的離子參與了整個過程，并補充了光熱電流。同時，由于其在界面處的富集會產(chǎn)生內(nèi)建電場，即表現(xiàn)為光生電壓。
但在這時新的問題又出現(xiàn)了，由于器件面積較小，且材料本身對太赫茲波的吸收很弱，因此必須使用天線結(jié)構(gòu)聚焦太赫茲波實現(xiàn)響應(yīng)探測。而鈣鈦礦的理化性質(zhì)，不允許進行光刻操作。
經(jīng)過多次討論之后，該團隊初步敲定了埋底天線設(shè)計，并經(jīng)過仿真模擬計算確定了如下規(guī)律：這種位于介質(zhì)下面的對數(shù)周期天線，也可以實現(xiàn)較高的增益系數(shù)，借此加工出的太赫茲探測器能表現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)性能。
回顧研究全程，張雅婷表示：“相較于發(fā)表高水平的論文，我也希望為國家微納光電探測事業(yè)做出貢獻，同時我也關(guān)注對于年輕一代學(xué)生的培養(yǎng)，著重培養(yǎng)他們的獨立思考能力，在實踐與錯誤中摸索出一條屬于他們自己的科研道路。我常常告訴學(xué)生：沒有失敗的實驗經(jīng)歷，就不會有對科學(xué)的敬畏之心。每一份樣品在測試儀器下都蘊含著成功的希望，不要害怕實驗帶來的挫折。在保持理性分析的思考下，也需要‘適當?shù)母行浴?，相信自己的研究終會帶來成果，以及不要懷疑自己所具備的能量。”
