杜克大学工程师打造出速度最快的光电探测器

美国杜克大学工程师打造出迄今记录在案速度最快的热释电光探测器，这种器件通过捕捉光被吸收后转化成的热量来“感知”光信号。 这款全新超薄传感器能够在室温下工作、无需外接供电，并可集成到芯片系统中，对几乎整个电磁波谱的光线做出响应，被寄望于推动新一代多光谱成像技术发展。 相关研究成果已发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊。

目前，大多数数字摄像设备依赖半导体光探测器，将落在其表面的可见光转化为电流，再经过电子电路处理形成图像。 这类器件的工作波段与人眼类似，主要集中在有限的可见光范围之外，对其他波段的电磁辐射往往“视而不见”。 为了探测更宽波段，科研人员通常会采用热释电探测器：当材料吸收光线后温度升高，产生电信号。

不过，传统热释电探测器在响应性能上长期不及半导体方案。 为获得足够信号，器件往往需要较厚的吸收层或非常强的入射光，这使得整体体积庞大、响应速度缓慢。 杜克大学电气与计算机工程教授 Maiken Mikkelsen 指出，商业化热释电探测器响应性有限，“要么需要非常亮的光，要么需要非常厚的吸收层，这天然会变慢，因为热本身传得不快”。

杜克团队的突破来自一种被称为“超表面”（metasurface）的结构设计。 研究人员在一层极薄的金膜上方，隔着约 10 纳米厚的透明薄层，精确排布了大量银纳米立方体。 当光线照射到这些纳米立方体上时，会激发银中的电子，通过等离子体效应将光能量“困”在局部结构中。 被捕获的具体波长则取决于纳米立方体的尺寸和间距，从而可以通过纳米结构工程化控制吸收的频率。

由于这种纳米结构对光的“捕获”极为高效，研究人员只需在其下方放置一层极薄的热释电材料，就可以产生足够强的电信号。 团队早在 2019 年就首次展示过这一思路，不过当时并未测量其响应速度。 “热型光探测器理论上应该很慢，因此当我们发现它表现出的时间尺度与硅光探测器接近时，整个领域都感到不可思议，”Mikkelsen 回忆说。

近年来，Mikkelsen 团队博士生 Eunso Shin 对器件结构进行了进一步优化，并设计了一套成本较低的测试方案，用以测量其极限速度，而无需依赖价格高昂的专业仪器。 升级版设计采用圆形超表面替代矩形结构，一方面增加了对入射光的有效捕获面积，另一方面缩短了信号在器件内部的传输路径。 团队还与合作方一起引入更薄的热释电材料层，并改进了用于读取和传输信号的电路设计。

在测试环节，Shin 构建了一套由两台分布反馈激光器组成的实验平台。 随着激光频率逐步逼近光探测器的工作极限，器件输出信号的响应会出现明显变化，由此可以推算其真实工作速度。 结果表明，这一新型光探测器的工作频率最高可达 2.8 GHz，也就是说，它能在约 125 皮秒的时间尺度上，将入射光转化为可测量的电信号。

“热释电光探测器通常工作在纳秒到微秒级，这次的结果要快数百甚至上千倍，”Shin 表示，并指出团队仍在努力进一步提速，同时探索热释电光探测器在物理机制上的速度上限。

展望应用前景，研究人员认为通过将热释电材料和读出电路进一步“塞进”纳米立方体与金膜之间的狭窄空间，有望继续压缩器件厚度并提升性能。 此外，他们也在探索使用多层超表面结构，使单个器件可同时对多个波长及其偏振态进行探测。 随着后续设计迭代与制造工艺成熟，这项技术有望催生新一代功能强大的多光谱成像系统。

由于这类探测器在工作时无需外部供电，它们有潜力部署在无人机、卫星以及各类航天器上，执行长期、高机动性的遥感任务。 在精细农业场景中，搭载这种成像系统的无人平台可以实时识别哪些农作物需要灌溉或施肥，实现更精准的资源管理。 Mikkelsen 认为，一旦器件能够同时探测足够多的频率，“将为皮肤癌诊断、食品安全检测以及远程感知车辆等应用打开大门，这些虽然还都在路上，但这就是我们正在前进的方向”。