Nature Nanotechnology 谐振热电纳米光子

【引言】

光电探测一般基于半导体结构中电子空穴对的光电响应或辐射热测定器在低于能隙的波长吸收。在这两种情况，谐振等离子和纳米光子结构成功的用以提高光电探测性能。等离子体激发需要在纳米尺度上实现极大的光限域，在亚波长区域内限域能量从而提高光电或光敏设备的吸收。但等离子体衰减会导致能量转变成热，这对光电探测器的性能来说是极为不利的。然而谐振亚波长纳米结构中产生的热也是电压产生的能量源。尽管热电设备已用以在贵金属薄膜和微电极吸收谐振耦合表面等离子体激元，并在双金属开口环谐振器上产生超速强磁脉冲。但并没有在功能热电纳米光子结构中作为谐振吸收器成功应用。

【成果简介】

美国加州理工学院Harry A. Atwater（通讯作者）等人设计了一个用以谐振光谱选择性吸收的亚波长热电纳米结构，能产生很大未聚焦的局域温度梯度和空间均匀光照来产生热电电压。证实这样的结构可以调控并用以特定波长探测，对比入射光，输入功率响应率高达38 V W^-1，带宽接近3 kHz。这是通过结合具单个悬挂膜结构的谐振吸收器和热电偶获得，产生能隙控制的光电探测机制。所报道的碲化铋/碲化锑和镍铬/镍铝结构作为用以光电应用如无能隙限制的超光谱和宽频光电探测器的谐振纳米光子热电材料有着重要意义。相关研究成果题为“Resonant thermoelectric nanophotonics”于Nat. Nanotech.上发表。

【图文导读】

图一、导模共振和散热设计

(a) 导模共振结构设计概念图

(b) 40 nm高，100 nm宽的Sb₂Te₃线，间距488 nm排布，Sb₂Te₃线中心和边缘间的理论吸收A和温差ΔT。

(c) 吸收峰处电场截面周期结构，波矢k，朝向入射光方向。标尺1μm。Sb₂Te₃线最高|E|出现引起光吸收，平板大量反射光产生必要的温度梯度。

(d) c模拟图沿着切线功率密度吸收，设备一半为Sb₂Te₃，另一半为Bi₂Te₃引起不对称。功率密度为入射功率除以热电结构体积。

(e) Sb₂Te₃/Bi₂Te₃结构在入射功率20μW，吸收峰处的热模拟。标尺500μm（主图）；50μm（插图）。

(f) 带有Au触头p/n热电结构的SEM伪色图，标尺20μm，插图为Bi₂Te₃/ Sb₂Te₃线结，标尺1μm。

图二、导模共振结构设计的热电材料性能

(a) 在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x波导，由40 nm厚、68 nm宽的线、间距488 nm排布组成，导模共振结构中不同线材料的吸收光谱对比。

(b-e) Sb₂Te₃线，导模共振结构全波段模拟。b-d，吸收峰。c-e，最小吸收位。b-c，电场分布比上初电场。d-e，功率吸收密度，P_abs=1/2ωε′′|E|²除以初功率P₀。

图三、导模共振结构理论和实验的超谱吸收调控性

(a) 导模共振结构。

(b-c) 60 nm宽(b)和100 nm宽(c)、 厚度40 nm的线在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x波导，不同间距下的吸收值。

(d) 实验吸收值（黑点），模拟吸收值对应于实验尺寸（蓝线）。模拟得到的吸收值对应于在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x波导，不同间距下的适配和等比例吸收光谱。

(e) 在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x悬挂膜上，40 nm 厚Sb₂Te₃线的波长-间距吸收极图。

(f) 在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x悬挂膜上，50 nm 厚，300 nm宽的Sb₂Te₃线的吸收光谱。

(g) 在50-nmSiO₂/100-nm SiN_x悬挂膜上，50 nm 厚，15 μm宽的Bi₂Te₃线的中红外吸收光谱。

图四、随时间、角度和频谱影响的结构性能

(a) 在主基体40 nm厚130 nm宽50 μm长的Bi₂Te₃/ Sb₂Te₃线结构上，0°、5°和10°（误差±1°）入射光下的吸收（0°和5°）或透射（Ҭ）（10°）。

(b) 具120 μm×100 μm光斑尺寸，整个结构在0°、5°和10°（误差±1°）斜入射下的响应和空间不均匀辐射。

(c) 只有一个结（60 μm×5 μm光斑）的最大响应。

(d) 在0°（误差±1°）离位角聚焦照明下，Bi₂Te₃/ Sb₂Te₃结构的热电电压（TEV）-入射功率图。

(e) Bi₂Te₃/ Sb₂Te₃结构的时间响应。

(f-g) 噪声谱密度（NSD）和噪声等效功率（NEP）随波长的变化，与b图数据相对应。

【小结】

本文将纳米光子和热电性结合，通过高光限域来控制纳米尺度区域内的温度梯度，产生空间均匀光照下高波长控制的热电电压。这种波长控制可实现几何调控，在一个芯片上从可见光到红外，能打破能隙限制、无需降温、滤波器的双材料分光。由于区域小，可以较传统热电探测器提速100倍。通过线悬挂，热点堆、最佳热电材料或温度管理可提高响应率，而缩小吸收器尺寸并减少响应时间。这将扩宽新的非制冷自过滤光探测结构领域。

文献链接：Resonant thermoelectric nanophotonics（Nat. Nanotech.，2017，DOI：10.1038/nnano.2017.87）

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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