杜克大學的電氣工程師發明了迄今為止最快的熱釋電光電探測器，該裝置透過感測光被吸收時產生的微量熱量來檢測光。
超薄感測器可以捕捉整個電磁頻譜的光。它在室溫下運行，不需要外部電源，並且可以直接整合到系統單晶片中。該技術最終可能使新一代多光譜相機應用於皮膚癌檢測、食品安全監測和大規模農業等領域。
研究結果發表在《先進功能材料》期刊。
為什麼傳統光電探測器有局限性
大多數數位相機都依賴半導體光電探測器，當受到可見光照射時會產生電流。然後計算機將該訊號轉換為我們看到的圖像。
然而，半導體只能偵測電磁頻譜的一小部分。從這個意義上說，它們類似於人眼，也僅限於可見光波長。
為了檢測該範圍之外的光，研究人員經常求助於熱釋電探測器。這些設備在吸收入射光後加熱時會產生電訊號。但傳統上，要產生足夠的熱量來捕獲更困難的波長，需要厚的吸收材料或非常明亮的光，這使得這類探測器又大又慢。
杜克大學電氣與計算機工程教授麥肯·米克爾森 (Maiken Mikkelsen) 表示：“商用熱釋電探測器的反應不太好，因此它們需要非常亮的光或非常厚的吸收體才能工作，這會減慢它們的速度，因為熱量移動得不那麼快。” “我們的方法集成了近乎完美的吸收體才能工作，這會減慢它們的速度，因為熱量移動得不那麼快。” “我們的方法集成了近乎完美的吸收器和薄薄電體，改進了 125 秒的時間。
超表面設計可有效捕捉光線
米克爾森實驗室開發的設備是基於特殊設計的結構，稱為超表面。它由精確的銀奈米立方體組成，放置在透明層中，距離薄金片僅 10 奈米。
當光照射到奈米立方體時，它會激發銀中的電子。這種相互作用透過稱為等離子體的過程捕獲光能。捕獲光的確切頻率取決於奈米立方體的尺寸和它們之間的間距。
由於這種光捕獲非常有效，因此只需要一層非常薄的熱釋電材料即可在結構下方產生電訊號。 Mikkelsen 的團隊在 2019 年首次展示了這個概念，儘管最初的設定並不是為了測量設備的反應速度。
「熱光電探測器應該很慢，所以整個社區都感到驚訝，」米克森說。 “我們對它的運行時間尺度與矽光電探測器相似這一事實感到措手不及。”
優化您的設備速度
近年來，Mikkelsen 實驗室的博士生 Eunso Shin 致力於改進設計，開發了一種無需依賴非常昂貴的設備即可測量設備速度的方法。
在最新版本的探測器中，吸光超表面被重新設計為圓形而不是矩形。這種配置增加了暴露於入射光的表面積，同時減少了電訊號必須傳播的距離。研究人員還採用了合作者提供的更薄的熱釋電層，並改進了用於捕獲和傳輸訊號的電子電路。
為了測量偵測器的性能，Shin 設計了一個使用兩個分散式回授雷射的實驗裝置。當雷射的頻率接近設備的運行速度時，雷射就會增強，使研究人員能夠確定偵測器的反應速度。
他們的測量表明熱光電探測器的運行速度高達 2.8 GHz。以這個速率，入射光只需 125 皮秒即可產生電訊號。
「熱釋電光電探測器通常在納微秒範圍內運行，因此速度要快數百或數千倍，」Shin 說。 “這些結果確實令人興奮，但當我們弄清楚熱釋電光電探測器的動力學極限時，我們仍在努力使其更快。”
從農業到醫學的未來應用
研究人員認為，將熱釋電材料和電子讀出組件放置在奈米立方體和金層之間的狹小空間中，該設備可以製造得更快。他們也正在探索擴展系統功能的方法，包括使用多個超表面來同時檢測多個波長的光及其極性的設計。
隨著開發的繼續和製造挑戰的解決，該技術可能為強大的新型成像系統打開大門。由於探測器不需要外部電源，因此可以部署在無人機、衛星和太空船上。
此類系統將透過即時顯示哪些作物需要更多的水或肥料來支持精準農業。
「當你有能力同時檢測大量頻率時，你就打開了很多事情的大門，」米克森說。 “癌症診斷、食品安全、遙感車輛。所有這些還有很長的路要走，但我們正在朝這個方向前進。”
這項研究得到了空軍科學研究辦公室 (FA9550-21-1-0312) 和戈登和貝蒂摩爾基金會 (GBMF8804) 的支持。
