Newswise — Фототермоэлектрический (ПТЭ) эффект включает в себя два процесса преобразования энергии: фототермическое преобразование и термоэлектрический эффект. Когда падающий свет локально поглощается, в термоэлектрическом материале создается разность температур, и, таким образом, разность потенциалов напряжения устанавливается в качестве выходного электрического сигнала для фотодетектирования.

Для достижения более высоких характеристик обнаружения решающее значение имеет эффективный подход к локализации как оптической, так и тепловой энергии. Однако из-за влияния подложки повышение производительности устройства и изучение механизма связи мультифизических полей в устройствах микро/нано масштаба являются серьезной проблемой. Учитывая тенденцию интегрированных на кристалле устройств к трехмерной (3D) структуре, необходимо также изучить взаимосвязь структуры и производительности. Используя технологию самокатающихся наномембран, функциональная наномембрана отделяется от подложки для создания изолированной трехмерной микро/наноструктуры. Реализация локализации световой и тепловой энергии обеспечивает идеальную платформу для изучения преобразования энергии в микро-/нано-устройствах, а полученные результаты открывают путь для практического применения в соответствующих областях.

В этой работе в качестве активного материала ПТЭ использовался теллур (Te), а трехмерная самосвернутая трубчатая структура была получена путем отделения наномембраны Te от подложки за счет вертикального градиента деформации. Рисунок 1а показана схема конструкции и принцип работы самокатящегося детектора ПТЭ. В трубчатой ​​структуре энергия фотонов улавливается наномембраной Te с более высоким показателем преломления, и результаты моделирования показаны на рисунке. Рисунок 1б . Тепло, генерируемое оптическим поглощением, локализуется в изолированной стенке трехмерной трубки с помощью функционального материала, создавая большую разницу температур, тем самым создавая большую разницу потенциалов при термоэлектрическом преобразовании. Экспериментальные результаты дополнительно подтверждают, что эффект локализации энергии в изолированной трехмерной трубчатой ​​структуре улучшает характеристики фотодетектирования: фотонапряжение с автономным приводом трубчатого детектора в 307 раз выше, чем у планарного детектора, как показано на рис. Рисунок 1в .

В этой работе положение падающего света было изменено, чтобы проверить эффект ПТЕ и его зависимость от положения. При отклонении светового пятна от центрального положения в осевом направлении наблюдается обратнонаправленный фототок (Рисунок 2а ). Для светового пятна, движущегося перпендикулярно осевому направлению, лучший фотоотклик проявляется при облучении трубчатого детектора сверху по диаметру трубки. Рисунок 2б показаны результаты картирования положения падающего света и фототока, что помогает выявить фототермоэлектрическую связь и преобразование в трехмерной структуре.

Поскольку детектор ПТЭ выдает электрический сигнал, индуцированный локальной разницей температур, вызванной поглощением падающего света, спектр отклика детектора ПТЭ теоретически не ограничен шириной запрещенной зоны активного материала. Самоскатывающийся детектор PTE в этой работе также демонстрирует широкополосное фотодетектирование от видимого света до длинноволновой инфракрасной области. Модуляция вращения трубчатого устройства используется для оптимизации работы детектора с автоматическим приводом.

Кроме того, уникальная трехмерная структура трубчатого детектора способна проводить многомерное обнаружение. Как показано в Рисунок 3а самокатящийся детектор продемонстрировал способность обнаружения в широком угле. Кроме того, детектор лучше реагирует на поляризованный свет с электрическим полем, параллельным оси трубки, вызванным симметрией цилиндра, и достигается поляриметрическое изображение с высоким разрешением за счет однопиксельного зондирования, как показано на рисунке. Рисунок 3б . Результаты демонстрируют способность многомерного обнаружения самопрокатного детектора PTE получать информацию об интенсивности и поляризации.

Таким образом, новый трубчатый 3D-детектор PTE был спроектирован и изготовлен путем объединения технологии 3D-самокаты, совместимой с зрелой полупроводниковой технологией и термоэлектрическим функциональным материалом. Трехмерная трубчатая структура эффективно улучшила поглощение света и локализацию тепла, что привело к усилению фототермоэлектрического преобразования. Был проанализирован механизм связи мультифизических полей, а эффективность обнаружения была настроена путем изменения геометрической структуры. Детектор PTE с самопрокатным механизмом обладает превосходными характеристиками, такими как высокая чувствительность, широкий спектральный диапазон отклика, собственная мощность, всенаправленное обнаружение, поляризационная визуализация и т. д. С появлением более функциональных материалов и тонких структур механизм преобразования энергии в 3D-микро/нано-оптоэлектронных устройствах будет раскрыт более подробно, а производительность будет дополнительно оптимизирована. Эти новые 3D-устройства найдут более широкое применение в будущих интегрированных оптоэлектронных системах.

###

Ссылки

DOI

10.1038/s41377-024-01496-0

Исходный URL-адрес источника

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01496-0

Информация о финансировании

Эта работа поддерживается Национальной программой исследований и разработок ключевых технологий Китая (№ 2021YFA0715302 и 2021YFE0191800), Национальным фондом естественных наук Китая (№ 62375054), Комиссией по науке и технологиям муниципалитета Шанхая (№ 22ZR1405000). Частично изготовление образцов было выполнено в Фуданьской лаборатории нанопроизводства, лаборатории квантовых устройств ShanghaiTech и ShanghaiTech Soft Matter Nanofab (№ SMN180827).

О Свет: наука и приложения

Свет: наука и приложения в первую очередь будет публиковать новые результаты исследований по новейшим и новым темам оптики и фотоники, а также освещать традиционные темы оптической техники. В журнале будут публиковаться оригинальные статьи и обзоры, которые отличаются высоким качеством, вызывают большой интерес и имеют далеко идущие последствия.