迄今最快的热释电光电探测器

杜克大学电气工程师团队研发出迄今最快的热释电光电探测器，其工作原理是通过吸收入射光产生的热量。这款超薄设备无需外部电源，可在室温下运行，能够捕捉整个电磁 Spectrum 的光线，并能轻松集成到芯片级应用中。

这项突破性进展或将为新型多光谱相机奠定基础，有望在皮肤癌检测、食品安全监测和大规模农业等多个领域产生深远影响。该研究成果发表于《先进功能材料》期刊。

作为传统数码相机的基础，半导体光电探测器的工作原理是：当可见光照射时激发电流，计算机将这些电信号解析成连贯图像。但与人眼类似，半导体只能观测电磁 Spectrum 中狭窄的频率范围。

捕获特殊频率光线的常用方法是使用热释电探测器，这类器件通过吸收光能升温后产生电信号。但此类设备在诸多方面长期落后于传统数码相机，因为要在难以捕获的频率范围内产生足够热量，导致设备体积笨重且响应缓慢。杜克大学电气与计算机工程教授麦肯·米克尔森指出：“商用热释电探测器响应度不足，需要强光源或超厚吸收层才能工作，这必然导致速度缓慢，因为热传导本身就不快。我们的方案巧妙结合了近完美吸收体与超薄热释电材料，实现了125皮秒的响应时间，这对该领域而言是巨大飞跃。”

米克尔森实验室采用“超表面”技术方案，将精密设计的银纳米立方体置于仅10纳米厚的透明薄膜上，薄膜下方是金薄层。当光线照射纳米立方体表面时，会激发银的电子振荡，通过等离激元效应捕获光能——但仅限于由纳米立方体尺寸和间距控制的特定频率。

这种光捕获和能量吸收效率极高，仅需下方极薄的热释电材料层即可产生电信号。该方案最初于2019年由米克尔森实验室验证，但当时实验设置无法测量其响应速度。米克尔森回忆：“热光电探测器本该是慢速器件，这个发现让整个学界震惊。当意识到它可能达到硅基光电探测器的响应速度时，我们都难以置信。”

过去几年间，米克尔森实验室博士生申恩率致力于优化该方案，同时探索无需昂贵设备的速度测量方法。在新版设计中，光吸收超表面从矩形改为圆形，以最大化曝光面积并最小化信号传输距离。团队还从合作方获取了更薄的热释电材料层，并升级了电路设计以优化电信号读取传输。

为精确测量探测速度，申恩率设计精妙实验：使用两台分布式反馈激光器，当激光频率接近设备工作频率时，探测器响应增强。测试结果显示，新型热光电探测器的工作速度高达2.8 GHz，相当于入射光在125皮秒内即可产生电信号，刷新了世界纪录。

“传统热释电探测器通常工作在纳秒至微秒级别，我们的设备速度提升了数百上千倍。”申恩率表示，“这些成果令人振奋，我们仍在探索如何突破热释电探测器的动力学极限，实现更高速度。”

研究团队认为，通过将热释电材料与电读出装置集成到纳米立方体和金薄层之间，可进一步提升创纪录的性能指标。他们还在为基于该设计的系统增加新功能，例如使用多个超表面同时探测不同频率的光及其偏振态。

随着设计优化和制造难题的攻克，这类光电探测器有望在众多应用领域引发变革。由于无需外接电源，这些成像设备可用于无人机、卫星和航天器，进而推动精准农业发展——实时识别需要灌溉施肥的农作物。

米克尔森展望道：“实现多频率光线的同步探测能力，将为众多领域打开新大门。癌症诊断、食品安全、遥感探测……虽然距离实际应用尚有距离，但这正是我们前进的方向。”