近日，新加坡科技研究局（A*STAR）与新加坡科技设计大学（SUTD）Dong Zhaogang课题组提出了一种基于锑化碲（Sb2Te3）超构表面的超宽带光热电探测器，能够在可见光至中红外范围内高效工作。通过设计和制造Sb2Te3超构表面结构，研究实现了高达97%的共振吸收，显著提升了光热电探测性能。不同于传统受带隙限制的光探测器，该工作利用Sb2Te3的等离子体共振和Mie共振特性，并结合其高热电Seebeck系数，实现了单一材料平台下的宽光谱探测。该项研究成果以“Chalcogenide Metasurfaces Enabling Ultra-Wideband Detectors From Visible to Mid-infrared”为题发表于国际期刊Advanced Science。新加坡科技研究局首席科学家、新加坡科技设计大学Dong Zhaogang教授为该研究工作的第一通讯作者，共同通讯作者有新加坡科技设计大学Joel K.W. Yang教授，南洋理工大学Wang Qi Jie教授以及伯明翰大学Robert Edward Simpson教授，课题组博士生张书涛以及研究员安舒为论文的共同第一作者。
超构表面由亚波长纳米结构组成，可精确调控光与物质的相互作用，被广泛应用于超薄透镜、彩色像素、防伪、光学非线性和光探测等领域。尤其在光探测方面，集成半导体超构表面的微型光探测器可感知光的波长、偏振和角度，但通常受带隙限制，仅适用于特定光谱范围，如可见光、近红外或中红外。相比之下，基于热电效应的光探测具有宽光谱响应的天然优势。例如，铝等离子超构表面集成到光-热电（PTE）探测器上，可增强可见光和近红外光的吸收。然而，现有热电材料（如MoS2、WSe2、PdSe2）的光吸收率较低。此外，基于Bi2Te2Se-Sb2Te2的热电探测方案大多局限于可见光范围，部分研究虽利用光学腔实现中红外探测，但整体而言，当前热电探测器的光谱覆盖范围仍然有限。因此，如何突破现有热电材料的吸收率限制，并拓展光探测器的光谱范围，使其能够在更宽的波长范围内高效工作，仍然是一个亟待解决的问题。
本研究设计了一种基于Sb2Te3纳米结构的热电光探测器，利用其独特的光学和热电特性，实现了宽光谱范围内的高效探测。该探测器采用Sb2Te3条带结构，一端集成超构表面以增强光吸收，从而在光照下形成温度梯度，产生可测量的电压差。通过设计不同结构参数的Sb2Te3纳米结构，可以实现对特定波长的共振吸收，覆盖比传统带隙受限光电探测器更广的光谱范围（如图1所示）。在可见光范围（300-760 nm），Sb2Te3表现出等离子共振特性，其中532 nm处的共振吸收达到峰值，并伴随局部电场增强，提高光吸收效率。在中红外范围（2-10 μm），由于其高折射率（5.7-6.5），Sb2Te3表现出米氏共振（Mie Resonance），在5.8 μm处形成高Q因子共振，增强光局域性。此外，底部150 nm厚的Sb2Te3基底层不仅用于电导，还引入了Fabry-Pérot（FP）共振，与米氏共振协同作用，提高整体吸收效率并拓宽工作带宽。
图1 Sb2Te3超构表面由于共振吸收从可见到中红外光谱实现超宽带光热电探测器
Sb2Te3纳米结构通过等离子共振（532 nm处）增强局部电场，提高光吸收率，实验测得吸收率达97%。热场模拟显示，超构表面结构可使温差提升至6.0 K，而未结构化的Sb2Te3仅为1.0 K。电势分布模拟表明，超构表面可增强电势梯度，提高热电转换效率。实验测得具有超构表面的探测器在532 nm激光照射下产生2.4 mV光生电压，响应度达24 V/W，比无超构表面器件（6.5 V/W）提升4倍，外量子效率（EQE）约56%。光斑位置迁移实验进一步验证了超构表面对热电响应的增强作用（如图2所示）。
图2 基于可见波长带间等离子体的Sb2Te3超构表面光电探测器
为了验证中红外范围的Mie-FP共振，利用Sb2Te3的高折射率，制备了波长选择性热电探测器（如图3所示）。通过纳米加工，Sb2Te3超构表面集成至PCB电路板，实现了结构优化，探测器的局部超构表面增强吸收，提高温差并提升电压输出。仿真表明，该超构表面在5.3 μm处吸收最强，温度梯度达0.35 K/μm，实验测得5.9 μm处吸收率达60%。光电测试结果显示，该探测器在5.5 μm波长下电压响应最高（300 μV），对应响应度67 V/W，外量子效率30%，响应速度160 ms。光生电压与入射功率呈线性关系。
图3 Mie和Fabry-Pérot (FP)腔杂化共振的Sb2Te3中红外光热电探测器
最后探讨了Sb2Te3高折射率在偏振敏感光探测中的应用，采用粒子群优化（PSO）算法优化矩形阵列结构，并保留150 nm厚的基底层。仿真结果显示，该结构在4.5 µm处存在明显吸收差异，且在0°偏振下的电场与吸收强度均高于90°偏振。实验制备的Sb2Te3超构表面偏振探测器表现出良好的阵列形貌，测得的偏振吸收光谱与设计一致。光电测量表明，0°偏振光的光生电压比90°偏振高8%。进一步测试不同激光波长（4.5、4.8、5.5、6.0 µm），发现4.5 µm激光具有最高偏振灵敏度，与实验测得的超构表面吸收结果吻合。研究表明，通过设计不同的Sb2Te3超构表面结构，可在室温下实现中红外波长和线偏振选择性吸收，为高维光信息探测提供新思路。
图4 线性偏振灵敏的Sb2Te3中红外光热电探测器
本研究利用锑化碲（Sb2Te3）的光学和热电特性，设计了室温下运行的超宽带超构表面光热电探测器。通过研究其在可见光波段的等离子共振吸收和在中红外波段的Mie共振吸收，优化了光吸收能力，实现最大吸收率约97%（532 nm）。此外，该超构表面器件还可用于线偏振选择性光探测。研究结果表明，结合热电效应和纳米光学设计可实现高效、宽谱光探测。未来，可进一步优化纳米结构设计，提高器件稳定性和探测灵敏度，推动超构表面光热电探测技术在光通信、红外成像及高灵敏度传感等领域的应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202413858
近日，新加坡科技研究局（A*STAR）与新加坡科技设计大学（SUTD）Dong Zhaogang课题组提出了一种基于锑化碲（Sb2Te3）超构表面的超宽带光热电探测器，能够在可见光至中红外范围内高效工作。通过设计和制造Sb2Te3超构表面结构，研究实现了高达97%的共振吸收，显著提升了光热电探测性能。不同于传统受带隙限制的光探测器，该工作利用Sb2Te3的等离子体共振和Mie共振特性，并结合其高热电Seebeck系数，实现了单一材料平台下的宽光谱探测。该项研究成果以“Chalcogenide Metasurfaces Enabling Ultra-Wideband Detectors From Visible to Mid-infrared”为题发表于国际期刊Advanced Science。新加坡科技研究局首席科学家、新加坡科技设计大学Dong Zhaogang教授为该研究工作的第一通讯作者，共同通讯作者有新加坡科技设计大学Joel K.W. Yang教授，南洋理工大学Wang Qi Jie教授以及伯明翰大学Robert Edward Simpson教授，课题组博士生张书涛以及研究员安舒为论文的共同第一作者。
超构表面由亚波长纳米结构组成，可精确调控光与物质的相互作用，被广泛应用于超薄透镜、彩色像素、防伪、光学非线性和光探测等领域。尤其在光探测方面，集成半导体超构表面的微型光探测器可感知光的波长、偏振和角度，但通常受带隙限制，仅适用于特定光谱范围，如可见光、近红外或中红外。相比之下，基于热电效应的光探测具有宽光谱响应的天然优势。例如，铝等离子超构表面集成到光-热电（PTE）探测器上，可增强可见光和近红外光的吸收。然而，现有热电材料（如MoS2、WSe2、PdSe2）的光吸收率较低。此外，基于Bi2Te2Se-Sb2Te2的热电探测方案大多局限于可见光范围，部分研究虽利用光学腔实现中红外探测，但整体而言，当前热电探测器的光谱覆盖范围仍然有限。因此，如何突破现有热电材料的吸收率限制，并拓展光探测器的光谱范围，使其能够在更宽的波长范围内高效工作，仍然是一个亟待解决的问题。
本研究设计了一种基于Sb2Te3纳米结构的热电光探测器，利用其独特的光学和热电特性，实现了宽光谱范围内的高效探测。该探测器采用Sb2Te3条带结构，一端集成超构表面以增强光吸收，从而在光照下形成温度梯度，产生可测量的电压差。通过设计不同结构参数的Sb2Te3纳米结构，可以实现对特定波长的共振吸收，覆盖比传统带隙受限光电探测器更广的光谱范围（如图1所示）。在可见光范围（300-760 nm），Sb2Te3表现出等离子共振特性，其中532 nm处的共振吸收达到峰值，并伴随局部电场增强，提高光吸收效率。在中红外范围（2-10 μm），由于其高折射率（5.7-6.5），Sb2Te3表现出米氏共振（Mie Resonance），在5.8 μm处形成高Q因子共振，增强光局域性。此外，底部150 nm厚的Sb2Te3基底层不仅用于电导，还引入了Fabry-Pérot（FP）共振，与米氏共振协同作用，提高整体吸收效率并拓宽工作带宽。
图1 Sb2Te3超构表面由于共振吸收从可见到中红外光谱实现超宽带光热电探测器
Sb2Te3纳米结构通过等离子共振（532 nm处）增强局部电场，提高光吸收率，实验测得吸收率达97%。热场模拟显示，超构表面结构可使温差提升至6.0 K，而未结构化的Sb2Te3仅为1.0 K。电势分布模拟表明，超构表面可增强电势梯度，提高热电转换效率。实验测得具有超构表面的探测器在532 nm激光照射下产生2.4 mV光生电压，响应度达24 V/W，比无超构表面器件（6.5 V/W）提升4倍，外量子效率（EQE）约56%。光斑位置迁移实验进一步验证了超构表面对热电响应的增强作用（如图2所示）。
图2 基于可见波长带间等离子体的Sb2Te3超构表面光电探测器
为了验证中红外范围的Mie-FP共振，利用Sb2Te3的高折射率，制备了波长选择性热电探测器（如图3所示）。通过纳米加工，Sb2Te3超构表面集成至PCB电路板，实现了结构优化，探测器的局部超构表面增强吸收，提高温差并提升电压输出。仿真表明，该超构表面在5.3 μm处吸收最强，温度梯度达0.35 K/μm，实验测得5.9 μm处吸收率达60%。光电测试结果显示，该探测器在5.5 μm波长下电压响应最高（300 μV），对应响应度67 V/W，外量子效率30%，响应速度160 ms。光生电压与入射功率呈线性关系。
图3 Mie和Fabry-Pérot (FP)腔杂化共振的Sb2Te3中红外光热电探测器
最后探讨了Sb2Te3高折射率在偏振敏感光探测中的应用，采用粒子群优化（PSO）算法优化矩形阵列结构，并保留150 nm厚的基底层。仿真结果显示，该结构在4.5 µm处存在明显吸收差异，且在0°偏振下的电场与吸收强度均高于90°偏振。实验制备的Sb2Te3超构表面偏振探测器表现出良好的阵列形貌，测得的偏振吸收光谱与设计一致。光电测量表明，0°偏振光的光生电压比90°偏振高8%。进一步测试不同激光波长（4.5、4.8、5.5、6.0 µm），发现4.5 µm激光具有最高偏振灵敏度，与实验测得的超构表面吸收结果吻合。研究表明，通过设计不同的Sb2Te3超构表面结构，可在室温下实现中红外波长和线偏振选择性吸收，为高维光信息探测提供新思路。
图4 线性偏振灵敏的Sb2Te3中红外光热电探测器
本研究利用锑化碲（Sb2Te3）的光学和热电特性，设计了室温下运行的超宽带超构表面光热电探测器。通过研究其在可见光波段的等离子共振吸收和在中红外波段的Mie共振吸收，优化了光吸收能力，实现最大吸收率约97%（532 nm）。此外，该超构表面器件还可用于线偏振选择性光探测。研究结果表明，结合热电效应和纳米光学设计可实现高效、宽谱光探测。未来，可进一步优化纳米结构设计，提高器件稳定性和探测灵敏度，推动超构表面光热电探测技术在光通信、红外成像及高灵敏度传感等领域的应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202413858
