基于新材料体系的中红外光电探测器

|作者：王钦生1　孙栋2，†

(1 北京理工大学物理学院）

(2 北京大学物理学院 量子材料科学中心)

本文选自《物理》2026年第1期

摘要中红外光电探测器作为现代光电技术的重要组成部分，在工业检测、航天遥感和国防军事等领域发挥着至关重要的作用。红外探测技术的应用始于二战期间，并历经了四代的发展。文章对中红外光电探测器的发展历史、当前应用的主要类型、未来发展方向等方面内容进行讨论，着重介绍基于拓扑材料、二维材料及其异质结等新型材料体系的中红外波段光电探测器的研究探索，以及利用超表面等结构增强探测器性能并开发新的光参量探测器方面的进展，最后探讨人工智能技术的应用为红外探测器的智能化发展提供的新机遇。中红外光电探测器技术正在快速发展，新型材料和新结构的引入，以及人工智能技术的融合，将为这一领域带来新的变革，未来将满足各领域对高性能、低功耗、小型化红外探测器的需求。

关键词红外探测器，拓扑材料，二维材料，超表面结构

1 引 言

光电探测器是将光信号转换成电信号的关键核心器件，在通信、成像、传感与测量等领域具有重要作用。其中，工作于2.5—25 μm波段的中红外光电探测器由于工作波段覆盖了地球上绝大多数物体热辐射的主要波段，以及地球大气在3—5 μm(中波红外)和8—14 μm(长波红外)这两个低光吸收率“大气窗口”，因此在工业检测、安防监控、航天遥感、国防军事等方面具有尤为重要的作用。本文将对中红外探测器的发展历史、当前主要类型以及未来发展方向等方面进行介绍。

2 红外探测器的发展历史

早期的红外探测器主要是基于热效应的热电偶、热电堆、测辐射热计(bolometer)等热探测器。二战期间，德国及美国发明了基于硫化铅中光电导效应的光子型探测器，并应用于军事相关领域。1959年，劳森等人发明了碲镉汞(HgCdTe)这一当前红外探测器的核心材料[1]，通过调节Hg和Cd的比例，可以连续调整这种三元合金的禁带宽度，从而覆盖从短波到甚长波(VLWIR)的整个红外波段，尤其是能够完美匹配3—5 μm和8—14 μm这两个大气窗口，这为红外探测提供了合适的材料平台。在这以后，中红外探测器主要经历了四代的发展(图1)[2]。第一代红外探测器主要基于单元探测器或者线列探测器并通过机械扫描成像，第二代红外探测器以焦平面阵列(FPA)与凝视成像为代表，再加上读出集成电路的发展，使得成千上万个探测器像素(光敏元)收集到的光电信号可以进行放大、积分和多路传输，进而实现了探测芯片与硅基读出电路(ROIC)的互连。利用大规模探测器面阵，可以无需机械扫描就实现整个面阵直接“凝视”目标场景的积分曝光，大大提高了探测器的灵敏度和帧频。第三代探测器在上一代的基础上，实现了高像素、大面阵和多色探测。当前正在发展的第四代探测器，正在向着更高性能大面阵探测器、多色/多波段探测、非制冷工作、智能化等方向发展。

图1　红外探测器的发展历史[2]。红外探测器经历了由单点扫描成像向大规模成像探测器件的发展，可大致分为四代，图中给出了每代探测器的典型特征和红外探测器发展中的重要里程碑节点

3 当前红外探测器的主要类型

按照红外光与物质相互作用效应的不同，可以将红外探测器分为热探测器和光子探测器两个主要大类。热探测器主要包括测辐射热电偶和热电堆、测辐射热计、热释电探测器、热相变探测器等，其主要工作原理是测量由光吸收引起温度变化而导致的探测器电阻变化、热电电压、相变等。光子探测器可分为光电导探测器和光伏探测器，主要是测量由于光电效应导致的电子由价带跃迁到导带而产生的光电流或者光电压。当前的高性能红外探测器大部分是光子型探测器，主要包括以下几种。

(1)碲镉汞探测器

HgCdTe是当前高性能红外探测器最常用的材料[3]，其最大优势在于禁带宽度可调。HgCdTe是HgTe和CdTe的合金，其中CdTe是半导体，HgTe是半金属。通过改变Hg和Cd的组分比例(通常表示为Cd的组分

)，可以连续、精确地调节其禁带宽度从0 eV(半金属)到1.6 eV(对应可见光探测)，从而使得带隙完美匹配待探测的波长。另外，因为HgCdTe红外探测器是基于本征吸收，对红外光子的吸收率非常高(图2(a))，这意味着探测器具有高量子效率和探测灵敏度。另外，相对于其他长波红外材料(如非本征硅)，HgCdTe可以在更高的温度下工作(例如77 K以上)，这降低了对制冷系统的要求。但是，HgCdTe材料制备困难，键合较弱，晶体生长过程中容易产生缺陷，且不同Hg、Cd的成分比例对应着不同带隙，这导致HgCdTe焦平面材料均匀性较差、成品率较低、成本高昂。

图2　传统探测器的能带示意图和光吸收过程[2] (a)HgCdTe半导体材料探测器的能带示意图；(b)GaAs/AlGaAs量子阱探测器的能带示意图；(c)InAs/GaSbⅡ型超晶格探测器的能带示意图

(2)InSb探测器

InSb是一种III-V族化合物半导体，它在中波红外领域占据着极其重要的地位。InSb在77 K下的本征禁带宽度约为0.23 eV，该带隙对应的红外截止波长

E ≈5.4 μm，恰好覆盖了整个中波红外(3—5 μm)大气窗口。另外，InSb是所有已知半导体中电子迁移率最高的材料之一，因此基于InSb的光电二极管具有非常高的响应速度。另一方面，InSb的晶体生长技术非常成熟，可以制备出面积大、均匀性好、缺陷密度低的单晶材料，使得制造大规模、高性能的InSb焦平面阵列成为可能，因而InSb红外探测器广泛应用于军事、航天和工业测温领域。但是，由于InSb禁带宽度是固定的，因此只能用于中波红外探测，无法像HgCdTe那样通过调节组分来覆盖长波红外。此外，为了抑制噪声，它通常也需要在77 K的液氮温度下工作。

(3)量子阱探测器

量子阱探测器基于GaAs/AlGaAs等半导体材料体系，通过能带工程设计量子阱来吸收特定波长的红外光。量子阱探测器中的光吸收主要基于量子阱中的子带跃迁，其探测波长可以通过量子阱的厚度以及势垒/阱材料的成分进行设计(图2(b))。通过先进的材料生长技术(如分子束外延或金属有机化学气相沉积)，量子阱探测器具有较高的探测灵敏度和较低的本征噪声；量子阱内的电子跃迁过程非常快，使其适合高速探测应用；另外，量子阱探测器制造工艺与成熟的半导体技术兼容，可以制成大规模、均匀性好的焦平面阵列。但是量子阱探测器由于子带跃迁的选择定则等因素，使其量子效率与HgCdTe探测器相比存在劣势。

(4)II型超晶格探测器

II型超晶格(T2SL)探测器由InAs/Ga(In)Sb等材料交替生长构成超晶格，其探测波长由超晶格层厚决定。该类探测器中InAs层与Ga(In)Sb层形成Ⅱ型离隙型能带排列，电子和空穴分别被限制于InAs层与Ga(In)Sb层中。与半导体量子阱中的分立能级不同，超晶格中由于势垒层厚度较薄，相邻InAs层中电子波函数的交叠在导带内形成电子微带，而相邻Ga(In)Sb层中空穴波函数的交叠则在价带内形成空穴微带。红外辐射信号的探测，是通过电子在最高空穴微带(即重空穴带)与最低电子微带(即第一电子微带)之间吸收光子发生跃迁来实现的(图2(c))。Ⅱ型超晶格具有类似HgCdTe的“能带可调”特性，并且还具有相近的量子效率、高响应率、高电子有效质量、低俄歇复合概率等优点，并且材料外延及器件工艺相对稳定，因而成为红外探测器应用的一类主要材料体系。

(5)阻挡杂质带探测器

阻挡杂质带探测器(blocked impurity band, BIB)中的光吸收利用的是杂质能级上的电子跃迁，因而可以探测光子能量远小于半导体禁带宽度的低能光子。它在杂质带光电导(impurity band conduction, IBC)探测器结构的基础上引入一层本征的阻挡层，由于阻挡层作用，BIB探测器的暗电流通常比IBC探测器小，非常有利于探测微弱辐射信号(图3(a))。BIB探测器探测波长比较宽(可以覆盖5—300 μm波段)、探测率高、抗辐射性好，广泛应用于各种大型天文基长波红外探测平台。

图3　传统探测器的能带结构及器件结构 (a)阻挡杂质带探测器的能带结构；(b)量子点探测器的能带示意图，由于量子限域效应的存在，量子点的空间尺寸大小直接影响能带带隙的大小；(c)热探测器结构示意图

(6)量子点探测器

量子点红外探测器是一种利用半导体量子点作为光敏材料的新型红外探测技术。通过改变量子点的尺寸、成分和形状，可以精确调控其吸收和响应波段，覆盖短波、中波、长波甚至太赫兹等多个红外大气窗口。量子点具有大的光吸收截面和载流子寿命，以及较低的俄歇复合率，可以实现较高的探测灵敏度(图3(b))。量子点材料(如胶体量子点)可通过溶液法合成，并旋涂或印刷在硅读出电路上，易于实现低成本、大规模制造，以及与硅基集成电路单片集成，适合应用在消费电子、柔性器件、工业检测等方面。但是，当前量子点探测器的暗电流噪声较大，比探测率与HgCdTe探测器相比尚有差距。

(7)VO2等热探测器

当前中红外波段的光子型探测器为了降低热激发产生的暗电流，工作时需要低温条件，一般需要使用各种类型的制冷装置。当前非制冷的红外探测器主要基于热探测器，尤其是基于氧化钒(VO

)或非晶硅(a-Si)的热敏效应(图3(c))。它们无需深度制冷，成本低、体积小，但灵敏度和响应速度远低于制冷型的光子探测器(如HgCdTe和InSb)，主要应用于民用和低端军事领域。

4 探测器的性能及主要发展方向

衡量光电探测器的主要性能指标包括响应度、噪声等效功率、比探测率、响应速度等，各指标的具体含义如表1所示。在探测器应用过程中，一般需要根据具体应用场景，例如探测目标的光谱特性及动态特性、工作环境温度等，选择需要的关键性能指标及相应的探测器类型。唐纳德·里高等人于1999年提出SWaP3 (Size, Weight, Power, Performance and Price)概念来综合衡量红外探测器的性能，即需要探测器向小型化、轻重量、低功耗、高性能、低成本综合方向发展，以满足工业市场及民用市场对红外探测的需求，例如在电力与工业巡检、自动化生产检测等方面的工业应用以及医疗健康检测等方面的消费电子应用。基于此，当前红外探测器的发展追求更高的灵敏度、更快的速度，以及利用多色探测增加图像分辨能力；在此基础上发展非制冷、小型化、轻量化的探测器。但是，对于传统半导体及超晶格材料的光子型探测器，虽具备高灵敏度与快速响应潜力，但在室温下受热激发噪声、暗电流影响严重，而当前主流中长波红外成像技术仍严重依赖制冷系统，庞大的制冷系统显著增加了设备体积、功耗与成本，制约了其在便携式设备与大规模部署中的应用。因此，开发可实现室温工作且兼具高灵敏度与超快响应的新型光敏材料探测器，已成为红外光电领域的迫切需求与前沿挑战。一方面，基于新型材料，发展具有更高响应性能的红外探测器，是当前红外探测器发展的一个重要研究方向。另一方面，利用超材料、超表面等器件结构设计，增强探测器的探测性能，并为探测器提供除光强以外新的光参量感知能力，是红外探测器发展的另一个重要研究方向。另外，人工智能技术的兴起，为红外探测器的智能化提供了新的机遇，后端信号处理的感存算融合一体化正在引导探测器向智能化发展。下面将对当前基于新型材料体系，包括拓扑材料及二维材料体系，利用超表面器件结构设计增强探测器性能，以及基于新型器件结构开发智能探测器的相关工作进行介绍。

表1　光电探测器核心性能指标定义与计算公式

4.1　基于拓扑材料的新型红外探测器

在衡量光电探测器的性能指标中，最核心的指标是比探测率，它反映了探测器在单位辐射功率下的信号检测能力。比探测率的物理本质是器件中光激发的定向电流与热激发的定向电流的竞争。在传统的半导体红外探测器中，比探测率的大小与材料吸收系数正相关，而与器件中的热载流子产生率负相关[4]。由于传统红外探测器是基于窄带隙半导体，室温下的载流子浓度及热载流子产生率较高，因而需要利用低温来抑制热载流子产生率以提升器件的比探测率。

拓扑材料的出现为突破传统红外探测器性能限制提供了新的材料平台。拓扑材料具有独特的能带结构和拓扑物态，在光电探测领域展现出特殊优势。一方面，拓扑材料的能带结构使其具有比传统红外探测材料更高的光吸收系数；另一方面，部分拓扑材料能带具有的自旋动量锁定等特性，可以在特定条件下通过光激发直接注入定向光电流。在传统半导体探测器中，光激发载流子与热激发载流子都基于同样的电荷分离手段(例如PN结内建电场等)，因而与比探测率相关的光激发的定向电流只正比于光激发的电子空穴产生率，热激发的定向电流正比于热激发的电子空穴产生率。而在拓扑材料中，特定光激发条件下的电荷有望比热激发电荷具有更好的定向流动特性，从而提升器件的比探测率。另外，基于拓扑材料的红外探测器还具有低噪声、高灵敏度、超快响应速度等优异特性。

图4　拓扑材料提升光电探测性能的物理机理[5，6] (a)外尔半金属中利用圆偏振光产生光电流的原理示意。在左图单一直立的外尔锥中，能带的自旋动量锁定特性使得圆偏振光只能激发具有一个运动方向的载流子，形成与外尔锥手性相关(图中

代表外尔锥的手性)的定向电流。在右图倾斜的外尔锥中，产生的定向电流由于光激发过程的泡利跃迁禁戒作用，并不严格与外尔锥的手性相关，因而体系中两相反手性外尔锥中产生的光电流并不完全抵消，体系具有非零的净电流；(b)拓扑绝缘体Pb 0.7 Sn0.3Se与传统红外探测材料HgCdTe的光吸收系数对比。由于Pb0.7Sn0.3Se存在能带反转导致的高光学跃迁矩阵元，以及墨西哥帽型能带结构导致的高联合态密度，其带边吸收系数是传统红外探测材料HgCdTe的10倍以上

当前，各国已在基于拓扑材料的高性能红外探测器开发方面投入了大量人力物力并取得了较大的进展[5—8]。理论方面，加州大学伯克利分校的T. Morimoto与东京大学N. Nagaosa合作指出，固体材料中的光伏效应等非线性光响应与材料电子能带结构的贝里联络/曲率等拓扑性质有关，因而基于拓扑材料有望实现高性能光电器件[7]；美国麻省理工学院的Patrick Lee指出在拓扑材料外尔半金属中，利用由费米能级位置引起的泡利跃迁禁戒以及晶体结构对称性约束的共同作用，有望实现室温无偏压的中远红外光探测(图4(a))[5]；美国麻省理工学院李巨团队预言，拓扑绝缘体中由于存在墨西哥帽型能带结构，其带边对应波段的光学响应比传统材料高1—2个量级[8]，其中拓扑半导体Pb0.7Sn0.3Se在长波红外波段比传统红外探测材料Hg0.21Cd0.79Te的光响应强10倍以上(图4(b))[6]。实验方面，北京大学孙栋课题组、山东大学于浩海课题组、美国波士顿学院的Kenneth Burch课题组基于狄拉克半金属材料Cd3As2、外尔半金属TaAs、外尔半金属TaIrTe4开发了红外光电探测原型器件(图5)[9—11]；其中，在外尔半金属中观察到了拓扑效应贡献的有效电荷分离而产生的光激发定向电流。另外，北京理工大学王钦生等人在第二类外尔半金属WTe2中，观测到由于边界对称性破缺导致的反常光电流响应，揭示了晶体对称性在光电响应中的重要作用[12]；斯坦福大学Shi Jiaojian等人实验发现Janus结构的1T’ MoSSe材料相比同条件下MoS2材料的非线性光响应强20—50倍[13]，展示了拓扑材料在光电器件方面的潜在应用前景；此外，中国科学院上海技术物理研究所王林团队，基于狄拉克半金属PdTe2、PtSe2、NiTe2和外尔半金属NbIrTe4，成功研制出了一系列兼具高灵敏度、快速响应及偏振分辨能力的新型室温太赫兹探测器[14]。综上可知，拓扑材料有望提高中长波红外光电探测的响应性能，实现中长波红外的高性能非制冷探测。

图5　基于拓扑材料红外光电探测的研究进展[10，11] (a)外尔半金属TaAs与已知铁电材料的光伏效应系数对比。由于拓扑效应，TaAs的体光伏效应系数远强于其他已知的铁电材料；(b)外尔半金属TaIrTe4中的光电流响应强度与激发光强度的依赖关系，其斜率代表器件响应度，其中LP-

a

代表沿

a

轴方向的线偏振光激发，LP-b代表沿

b

轴方向的线偏振光激发。LCP代表左旋圆偏振光激发，RCP代表右旋圆偏振光激发。由于拓扑效应的存在，TaIrTe 4 在外尔点附近的三阶光响应系数很高，中红外波段无偏置条件下的光响应度高达130.2 mA·W-1

虽然拓扑材料展示出较好的红外探测应用潜力，但当前实验获得的响应参数较理论预言存在较大差距，仍需对拓扑材料中光生载流子的弛豫、输运行为等光电响应相关过程进行表征及调控优化。需要特别注意的是，拓扑材料中表面态的存在会严重降低载流子的寿命[15]，从而影响比探测率等核心参数。此外，尽管目前已有基于拓扑材料的高灵敏度光电探测器，但大多数仅限于单像素探测器，这限制了获取高分辨率红外图像的能力，迫切需要突破单像素限制，开发基于拓扑材料阵列的成像器件。然而，拓扑材料大面积均匀制造工艺尚不成熟，开发拓扑材料生长技术，特别是兼容硅基工艺的拓扑材料生长技术，无疑是构建高集成度、大规模中长波红外成像系统的关键路径。

4.2　基于二维材料及其异质结的红外光电探测器

二维材料由于具有量子限域效应带来高光吸收系数、有利于异质结集成的原子级平整界面等优异特性，近年来在光电探测领域受到广泛的关注。在中红外光探测方向，由于需要较窄带隙，探测材料主要基于无带隙的石墨烯，窄带隙的黑磷(BP)、黑砷磷、PtS2、PtSe2、PdSe2等。

石墨烯是最早被应用于红外光电探测方向的二维材料。2009年，IBM的夏丰年等人基于石墨烯制备了高速的光探测器[16]，并于次年将石墨烯探测器应用于高速光通信(图6(a))[17]；2013年，南洋理工大学的王岐捷团队利用电子捕获中心及能带结构工程等手段，将石墨烯探测器的响应度提高了3个量级[18]；2014年，密歇根大学的刘昌桦及马里兰大学的蔡星汉等人分别基于石墨烯实现了室温的中红外及太赫兹波段的光探测[19，20]。

在基于二维半导体材料的红外探测方面，耶鲁大学夏丰年团队、南京大学缪峰团队、南洋理工大学的王岐捷团队、新加坡国立大学的Andrew Wee团队分别基于黑磷、黑砷磷、PtSe2、PdSe2实现了中红外波段的光电探测[21—24]。基于上述材料的异质结，研究人员进一步开发了具有更高性能的红外探测器，2018年，加州大学伯克利分校AliJavey团队基于BP/MoS2异质结，制备了室温外量子效率35%的中波红外探测器[25]；2019年，南京大学王肖沐团队在InSe/BP垂直异质结中[26]，首次提出并实验实现了“弹道雪崩”这一新型PN结击穿机制，通过在超薄沟道的二维材料异质结中实现载流子的“共振”式倍增，解决了传统雪崩器件需要高电压、噪声大等关键瓶颈问题，基于此机制制备的中红外探测器展现出实现单光子级别灵敏探测的巨大潜力(图6(b))[26]。2021年，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达团队构建了PdSe2/BN/WS2以及BP/MoS2/石墨烯异质结，利用范德瓦耳斯单极势垒结构阻挡导致噪声的暗电流，同时不影响光电流的传输，从而显著提升了探测器在室温下的信噪比(图6(c))[27]。此外，复旦大学王建禄团队基于BP/MoS2/黑砷磷异质结，实现了室温下高探测率的中波红外探测器[28，29]；中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的李绍娟团队基于MoSe2/PdSe2异质结，实现了非制冷近红外至长波红外波段的偏振敏感探测器[30]；东南大学倪振华团队基于石墨烯/BP/MoS2/石墨烯异质结[31]，实现了探测性能可比拟商用HgCdTe探测器的CMOS兼容的中红外探测器。上述工作展示了二维材料及其异质结是开发新型中红外探测材料体系的一个重要方向。

图6　基于二维材料的红外光电探测进展[16，17，26，27] (a)石墨烯光探测器的频率响应特性。由于石墨烯材料具有的零带隙特性及高迁移率特性，这种光探测具有很高的响应速度。上图展示了石墨烯光探测器在80 V栅压下具有40 GHz的调制带宽，下图展示了基于叉指电极结构的石墨烯探测器零栅压下的3 dB带宽为16 GHz；(b)InSe/BP垂直异质结中的弹道雪崩响应。图示为该异质结在10 K下的弹道雪崩效应，灰线和红线分别为无光和4 μm激光照射下器件的

V

曲线，蓝线为相应的倍增系数，右上插图为结构示意图；(c)利用多子阻挡层降低二维材料异质结红外探测器暗电流噪声的原理示意。上图为范德瓦耳斯单极势垒结构能带示意图，通过在n型器件中引入电子阻挡层，或者在p型器件中引入空穴阻挡层，可以降低器件的暗电流。在下图所示的p型器件中，蓝色小球代表导带中的电子，红色小球代表价带中的空穴，箭头方向代表电子/空穴的运动方向，由于造成暗电流的石墨烯空穴被空穴势垒层阻挡，从而显著抑制了器件暗电流

然而，由于二维材料光探测器中存在的新物理效应、器件结构的多样性以及制备过程中引入的材料界面缺陷等问题，当前对基于二维材料的新型红外探测器的性能表征仍存在不一致性，部分结果甚至有高估的可能。因此，在后续发展中，需要着重注意对各类新型材料的探测器性能的准确、可靠的评估与表征[32—35]。

4.3　利用超材料提升红外探测器的响应性能

利用超材料、超表面等亚波长微结构手段提升红外探测器的响应性能是红外探测器发展的另一重要方向[36]。一方面，利用超表面共振结构可以显著提升器件在特定波段的光吸收能力，进而增强光电响应性能；另一方面，超表面结构可以改变局域光场特性及光场与探测器件的耦合特性，进而提高探测器对于偏振、相位、波长、入射角度、轨道角动量等多维光学信息的感知能力。

使用等离激元结构可以极大增强局域光场强度，从而增加光吸收。利用这一点，可以解决石墨烯等二维材料由于材料厚度不足导致的光吸收率低的问题。2011年，曼彻斯特大学Novoselov组利用金属等离激元结构，将石墨烯探测器的响应度提高了20倍[37]。2014年，哈佛大学Capasso课题组利用金属微结构天线增强石墨烯光探测器的吸收能力，使4.45 μm波长的光响应度增强了200倍[38]。2016年，普渡大学Kildishev课题组利用分形结构超表面，将石墨烯探测器的响应度在宽波段范围内增强了一个量级[39]。另外，通过将石墨烯加工成等离激元结构，IBM的Phaedon Avouris组将石墨烯探测器的响应度增强了6倍[40]，耶鲁大学的夏丰年组实现了12.2 μm下16 mA/W的光响应度(图7(a))[41]。南加州大学Povinelli课题组利用超表面光栅增强了黑磷材料以及黑磷—二硫化钼异质结的光吸收，与无光栅结构的器件相比，响应度和比探测率增强了一个量级[42，43]。

图7　利用超表面增强光电探测性能及多参量感知能力[41，45—47] (a)利用石墨烯等离激元结构提升红外探测器的响应度。图中GDPRS代表石墨烯等离激元谐振结构，TCE和NNH是电子的两种输运机制，其中TCE代表热载流子激发，NNH代表近邻跃迁，黑色实线代表势能高度，两个石墨烯等离激元谐振结构间的石墨烯纳米带中势能无序较高。在无等离激元激发时，电子温度较低，电子输运主要是效率较低的近邻跃迁，在有等离激元激发时，电子温度高，电子输运主要是效率较高的热载流子激发；(b)基于超表面的中红外偏振探测器，通过在石墨烯上制备具有特定形状的纳米天线，可以改变器件对于不同偏振状态光的吸收继而改变器件的光响应电流，从而实现偏振探测；(c)基于超表面的中红外偏振探测器利用非中心对称的亚波长金属纳米天线结构破缺石墨烯的中心对称性，从而产生类似体光伏效应的响应，实现了偏振敏感的光响应；(d)基于超表面的中红外圆偏振探测器，通过在石墨烯环带上设计具有镜面对称的等离激元纳米结构，实现了器件响应与光偏振态的对应

超表面等微结构除了可以用来提升材料的光吸收能力，更重要的一点是可以通过微结构的设计，赋予超表面光探测器对于偏振、相位、波长、入射角度、轨道角动量等多维光学信息的感知能力。通过在光敏材料上加工一维光栅、T型/L型/V型天线或手性微结构等金属微结构[44—48]，可以改变材料对于不同线偏振状态或者圆偏振状态的光电响应，从而使得光探测器具有偏振响应能力(图7(b)，(c))。通过集成不同形状和方向的超表面微结构，可以实现对光偏振态的全斯托克斯参量探测(图7(d))[46]。通过设计超表面的共振波长和入射角度偏好，新型光探测器也可以实现对入射波长和入射角度的感知[49，50]。通过选择具有特定对称性的光敏材料并设计特殊形状的电极，新型光探测还可以实现对光场轨道角动量的探测[51，52]。这些结构增强了探测器对多维度光信息的感知能力。

但是，超表面结构的引入，一方面增加了器件加工工艺的复杂度，并且金属结构的欧姆损耗、介质材料的吸收损耗，以及超表面与探测器之间的阻抗失配，会造成能量损失，可能会降低器件整体效率；另一方面，超表面的性能提升往往依赖于共振效应，牺牲了器件的工作带宽。因此，在利用超表面结构提升探测器的性能时，需要根据应用场景权衡器件的性能参数。

4.4　智能化器件的发展

人工智能技术的发展为红外探测器的智能化提供了新的机遇。随着人工智能和物联网技术的普及，对红外信息的探测和智能感知的需求日益增长。其中一个重要发展方向是将红外光电探测器、存储单元和计算单元集成在一起，形成智能化的红外传感系统[53]。这是由于现代探测器的多光参量感知能力的发展，使得探测器端产生的数据量呈现巨大增长，传统的探测模式下海 量数据需经过传输、存储等过程，然后经过计算单元的计算才能获得所需信息，这会消耗大量的资源并产生信息延迟。受到动物视觉过程的启发，智能探测器通过在探测器内部或者探测器附近先进行简单的数据计算处理任务，再输出处理后的关键信息，进行下一步信息处理，这样充分减少了传输、存储、计算过程中的大量冗余数据(图8)。通过对探测器性能的实时动态调控，研究人员实现了探测器内部计算、计算光谱重建等功能[54—56]，可以直接利用探测器实现简单的图像处理任务[57]；通过引入历史依赖的光响应，可以使探测器具有记忆功能；通过构建光电忆阻器阵列作为图像感知元件，可以在探测器阵列间实现类似神经突触连接的功能，从而在探测器端模拟视觉功能，直接在探测器中实现初级神经网络计算，使得智能探测器可以实现类似人眼的图形识别等功能[58，59]。这些智能化发展，一方面提升了探测器的探测性能，另一方面也为探测器提供了新的功能。

图8　传统探测器信息处理方式与智能化探测器信息处理方式对比。传统信息处理方式是将探测器采集的所有信息传输到计算单元进行处理，信息传输量巨大；智能化探测器在探测器内部将探测数据中与目标应用相关的关键信息进行提取后，再进行传输，信息传输量较小

5 总 结

本文回顾了中红外探测器发展的历史、当前应用的主要探测器类型、探讨了中红外探测器未来的发展方向。虽然当前许多新型探测器还存在材料与器件性能长期稳定性不足、规模化制造与器件一致性难题有待克服、器件性能评估及标准化缺乏统一标准、系统集成尚未成熟等挑战，但是，当前中红外光电探测器技术正处于快速发展的阶段，新型材料和新结构的引入，人工智能技术的融合，以及学界及产业界正在联合推动建立的标准化的性能表征与报告指南，将有助于通过“产学研用”深度合作，针对性突破关键材料、工艺和集成技术，为新型中红外探测器这一领域带来新的变革，满足各领域对高性能、低功耗、小型化红外探测器的需求。

致 谢感谢北京理工大学物理学院周耀强教授的讨论及郭可莹、吕松林、常振宁同学的绘图帮助。

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