文献前沿丨Adv. Sci.：硫属化物超表面实现可见到中红外探测

光电探测技术在信息通信、环境监测、红外成像等领域具有重要应用，尤其在国防安全、生命科学和航天遥感等高端技术中更是不可或缺。然而，传统的光探测器往往受限于材料的带隙特性，仅能在特定波长范围内工作，难以覆盖从可见光到中红 （ Mid-IR ） 的宽光谱范围。此外，大多数高性能红外探测器依赖低温工作环境，这不仅增加了系统复杂度和成本，也限制了其在便携式、低功耗应用中的推广。因此，如何设计一种无需制冷、覆盖超宽带光谱的高效光探测器，成为当前光电子领域亟待解决的重要问题。因此，论文提出了一种基于硫属化物超表面的光探测器，并实现了从可见光到中红外波段的高效光探测。这一研究突破了传统探测器的波长限制，为新一代超宽带光电探测器的研发提供了创新思路。 相关工作以 Chalcogenide Metasurfaces Enabling Ultra‐Wideband Detectors From Visible to Mid‐infrared为题 发表在 Advanced Science 期刊。

本研究提出了一种基于Sb2Te3硫属化物超表面的超宽带光探测器，并设计了如图1所示的纳米结构，实现了从可见光（532 nm）到中红外（5.8 µm）的高效光吸收（图2）。该器件利用等离子体共振和Mie共振协同作用，突破了传统探测器的波长限制。此外，研究团队采用光热电（PTE）效应，通过Sb2Te3材料的高Seebeck系数（178 µV/K），使探测器能够在室温下工作，无需额外制冷（图3）。实验表明，该器件在不同光强和入射角度下均表现出稳定的光响应，并在长时间运行后保持高效的光电转换能力（图4）。该研究为红外成像、光通信和非制冷光探测等领域提供了新的技术方案，为未来高性能光电探测器的研发奠定了理论基础。

图2.基于Sb2Te3互带等离激元的可见光探测器：(a)可见光超表面的吸收功率密度模拟，入射功率为 0.1mW，插图显示了超表面的光热电（PTE）转换过程示意图。(b)施加0.1 mW加热功率后的温度梯度模拟结果，并显示带有Sb2Te3超表面的热电探测器的温度分布。(c)计算得到的电势分布及其对应的电势图，超表面面积为 75 × 75 μm2，由直径 200 nm、高度 150 nm、间距 532 nm的纳米盘组成。(d)设计的可见光Sb2Te3光探测器的测量吸收光谱，插图显示了可见光Sb2Te3纳米结构和基底层。(e)当532 nm激光照射超表面和平坦基底区域时，Sb2Te3探测器测得的光电压。(f)532 nm激光焦点从超表面扫描至平坦区域时的光电压变化，入射光功率为0.1 mW。

图3.结合Mie共振和Fabry–Perot腔的Sb2Te3中红外光探测器。(a)Sb2Te3光探测器的光学显微镜图像，左侧方形区域为刻蚀的超表面区域。(b)制备的Sb2Te3中红外超表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。(c)入射功率为 0.1 mW时，中红外超表面的吸收功率密度模拟结果，插图显示了相应波长条件下超表面的温度分布。(d)不同纳米结构参数（圆盘直径 2.0 μm，高度 0.9 μm，间距 3.0 μm，Sb2Te3薄膜厚度 150 nm）下的Sb2Te3中红外光探测器的测量吸收光谱。(e)不同波长（4.6, 5.5, 6.0, 7.3 μm）下的光电压测量结果，入射激光功率为4.5 μW。(f)不同入射光功率（1.9至16.8 μW）下的光电压响应测量。

图4.线性偏振响应的Sb2Te3中红外光探测器。(a)模拟的偏振依赖吸收率，插图：偏振响应Sb2Te3红外纳米结构的示意图。(b)x和y偏振下的模拟电场分布(|E/E₀|)。(c)制备的偏振依赖Sb2Te3超表面的光学显微镜图像。(d)通过傅里叶变换红外光谱测得的偏振依赖吸收率。(e)在4.5 μm激光不同偏振条件下，激光照射纳米结构时的光电压测量结果。(f)不同波长激光照射偏振响应的Sb2Te3中红外光探测器时，测得的光电压偏振标准差。

小结：综上所述，为解决超宽带光探测器在光谱覆范围和工作温度上的限制问题，以Sb2Te3硫属化物超表面为核心，设计了一种新型的无冷却超宽带光探测器。该探测器结合等离子体共振和Mie共振机制，实现了从可见光（532nm）到中红外（5.8µm）的高效光吸收。基于光热电效应，该器件在室温条件下具有出色的光电转换能力，避免了传统红外探测器对低温制冷的依赖。测量结果表明，该探测器在不同光照强度、入射角度及长时间工作环境下均保持稳定的光响应，展现出优异的探测灵敏度和环境适应性。因此，该研究突破了超宽带光探测技术在光谱调控、低功耗工作模式和高稳定性方面的限制，为红外成像、光通信、非制冷光探测等领域提供了新的技术方案，并大大提升了高性能光电探测器的实际应用潜力。

论文信息：Zhang S, An S, Dai M, et al. Chalcogenide Metasurfaces Enabling Ultra‐Wideband Detectors From Visible to Mid‐infrared. Advanced Science, 2025: 2413858.

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