光電探測器件的工作性能可以使用納米光子學結構獲得極大的增強，例如表面等離子激元、光學晶體等。這主要得益于光學共振模式可以將入射光場能量有效的匯聚在亞波長的空間范圍內，同時還可以為器件引入天然的頻率選擇特性。

然而，在使用表面等離子激元共振的同時往往會不可避免的引入寄生吸收損耗，例如金屬材料發熱，從而對光電轉換效率造成負面影響。如果我們將局部光場制熱與熱電材料相結合，將這些“耗損熱”轉換為電能予以測量，便可以變廢為寶，甚至還可以極大的提升熱電器件的工作性能。

今天和大家介紹的這篇來自美國加州理工大學Harry Atwater教授研究團隊的《Nature Nanotechnology》便是利用上述原理，在50到110微米的尺度上，通過利用納米共振結構對入射光場的選擇性匯聚來實現高性能的熱電探測。

該器件通過光學結構對入射光可調的選擇性吸收和局部匯聚，即便在均勻的入射光場下也可以在器件內部形成溫度梯度并進而獲得熱電壓，其對入射功率的響應率可以達到38 VW-1，帶寬約為3 kHz，比傳統熱電器件的響應速率快10到100倍。同時由于器件基于熱電效應工作，因此也就對材料的能帶特性不敏感。

而在這篇文章中，研究人員使用了大量的FDTD全電磁場數值模擬來還原器件的工作場景，尤其是對納米光學結構的光學響應以及器件內部熱功率的生成提供了生動而詳盡的物理圖像，并為最終的參數選優提供了堅實的理論依據。下面我們一起來了解一下。

圖1a中給出了器件的結構示意圖。整個器件由約40 nm厚的Bi2Te3與Sb2Te3構成，制造于由SiO2和SiNx疊層構成的懸空熱絕緣層上。熱電材料在器件中部區域被制造為長50微米，寬為100 nm，間距為數百納米的納米線陣列。

圖1 波導共振模式與熱設計。a，波導共振熱電探測器結構示意圖。b，對于間隔為488 nm，尺寸為40 nm×100 nm的Sb2Te3納米線的吸收率A和與邊緣平面區域對比的溫度差ΔT。c，FDTD模擬計算的入射光電場分布。圖中比例尺為1 微米。最高電場強度|E|發生在納米線區域，導致顯著的吸收并發熱。d，c中模擬模型橫截面上納米線的吸收功率分布，左側對應Sb2Te3而另一半是Bi2Te3。e，Bi2Te3/Sb2Te3納米線熱電偶結構在吸收峰值下的熱模擬結果，入射光功率為20 微W。比例尺，500 μm（主圖像）; 50微米（插圖）。f，具有Au接觸點的p/n熱電偶結構SEM照片。比例尺，20 微米。插圖：Bi2Te3/Sb2Te3納米線之間的連接點。比例尺，1 微米。

通過FDTD全電磁場數值模擬，研究人員發現這些周期性的納米線陣列可以有效的將TM偏振的垂直入射光耦合進自己的波導模式并產生出強烈的共振，從而實現在局部范圍對光能的選擇性吸收增強（圖1b,c）。器件工作時，這些納米線陣列因為對入射光的吸收而局部升溫；于此同時，器件外側的熱電材料形成了較大面積的平面區域，可以通過對大部分入射光的有效反射而保持在一個溫度相對較低的狀態（圖1d,e）。通過這樣的原理，器件獲得了從中心納米線區域到邊緣平面區域的溫度差異并進而獲得熱電壓。

根據熱電領域的Seebeck原理，器件兩端的熱電壓正比于其兩端的溫差以及材料的Seebeck系數。因此，實現器件局部區域的有效加熱，或者說對光能的有效匯聚吸收，并同時抑制器件通過輻射、對流和傳導效應導致的熱能散失對于增大器件的熱響應電壓至關重要。在本器件中，研究人員通過將納米線陣列置于一個超薄懸空的熱隔離層上，并使用較低熱導率的襯底材料，最大可能的阻絕了器件熱區的熱能損耗，從而在器件的中心與邊緣區域之間制造最大約2~3 K的溫差。這一結果也與基于FDTD的仿真預測相吻合。

有效的局部加熱得益于納米光學共振結構對光場的匯聚。理論計算表明，器件中部的納米線的共振模式主要由其波導模式和薄膜Fabry-Perot共振的Fano干涉形成。在圖2中，研究人員給出了在使用相同納米線尺寸以及襯底結構下，不同材料的共振吸收峰分布。可以看到Sb2Te3和較其他材料而言在共振波長處顯示出較大的消光系數。圖2b-d中給出了Sb2Te3納米線截面上在最大吸收波長下的共振模式，圖2c-e則給出了其在最小吸收波長下的共振模式。計算表明，由于波導模式與Fabry-Perot共振模式相長干涉，入射光電場在最大吸收波長下可以強烈的聚集在在納米線區域，從而實現對納米線的有效加熱。

圖2 基于波導共振模式的熱電材料結構設計。a，不同熱電材料的納米線吸收譜對比，納米線尺寸均為40 nm厚，68 nm寬，間距為488 nm。底部襯底為在50 nm厚的SiO2和100 nm 的SiNx波導。b-e，導波共振模式的模擬。b，d，吸收峰值處的歸一化電場分布與吸收功率分布。c，e，吸收最小時的歸一化電場分布與吸收功率分布。功率吸收密度由Pabs = 1/2ωε''|E|2求得，P0為入射功率。

與此同時，研究人員可以通過控制納米線陣列的結構參數來調控器件的響應波長，使器件顯現出極為豐富的應用潛力（圖3e-g）。圖3b中給出了器件在不同納米線幾何參數下的實驗與模擬的吸收率對比，主要可以調控的參數信息包括納米線的高度，寬度以及其陣列內部間距。圖3d則對應的給出了在不同納米線間距下，器件實測的吸收率與基于FDTD的仿真結果的對比，其結果無論是在頻率分布還是響應強度上都表現出較高的一致性。研究人員通過將仿真模擬結果反向擬合到實驗測試數據后發現，它們之間的細節差異主要來自于納米線材料的寄生損耗。

圖3 波導共振結構的吸收譜參數依賴關系。a，納米線波導結構示意圖。b，c，不同間距的納米線吸收譜的變化，其中納米線尺寸為60 nm寬（b）和100 nm寬（c）的納米線，厚度均為40 nm，置于50-nm SiO2/100-nm SiNx的懸浮襯底上。d，納米線實驗測試吸收譜（黑點），對應于實驗尺寸的FDTD模擬結果（藍色），以及基于實驗結果對模擬吸收光譜的反向擬合結果（紅色）對比，其結果表現出較高的一致性。e，在50-nm SiO2/100-nm SiNx懸浮膜上，40 nm厚的Sb2Te3納米線在可見光波段的吸收譜。f，在300-nm SiO2/500-nm SiNx懸浮膜上的50 nm厚，300 nm寬的Sb2Te3納米線的吸收光譜。g，在500-nm SiO2/500-nm SiNx懸浮膜上的50 nm厚，1.5微米寬的Bi2Te3納米線的中紅外吸收光譜。

在圖4中，研究人員進一步給出了器件在不同激發角度情況下的吸收率大小及其對應的響應率變化。結果表明器件對帶有5度入射偏角的激發光場表現出最大的響應率。當僅有納米線陣列被照射時，器件的響應率還可以進一步提升兩到三倍。理論分析表明，器件響應的最大/最小比值主要是由器件對激發輻射的吸收能力決定，因此帶有更顯著的最大/最小吸收比值的器件結構可以表現出更大的響應比率。

圖4 器件的光譜，角度和響應時間性能。a，器件在不同入射角度下的吸收譜，器件尺寸為40 nm厚，130 nm寬，50 微米長的線尺寸。b，對于整個結構使用未聚焦的均勻激發光照射，在不同入射角度下的器件響應率。c，僅當納米線熱電偶區域被照射時的最大器件響應率。d，器件熱電壓（TEV）對于與的入射功率的依賴關系，右軸顯示器件中部與邊緣區域的溫差ΔT。e，Bi2Te3/Sb2Te3熱電偶結構的時間響應（綠色）及其時間常數擬合（紅色），結果表明響應時間約為155.13±3.06 微s。藍色數據為Si光電二極管在相同斬波速度下的響應曲線。f，g，噪聲譜密度（NSD）和噪聲等效功率（NEP）與激發波長的關系。

研究人員進一步發現器件的熱電壓與激發光的入射功率呈現出明顯的線性關系，并與FDTD的數值模擬結果相吻合。由于器件較小的幾何尺寸，使其擁有非常小的熱容，因此可以實現快速的升溫和降溫過程，進而獲得更快的響應速率。測試表明，器件的響應上升時間和下降時間分別為155和153 微s，這樣的響應速度足以處理絕大多數的光電探測和圖像顯示的應用需求，比傳統熱電器件響應速率快100倍。

圖4f中則給出了器件的噪聲功率譜密度（NSD），表明其電阻約為113 kW，對應的室溫下的Johnson噪聲為42 nVHz-1/2，對應的總體噪聲等效功率（NEP）約為108 Hz-1/2 W-1。這樣水平的噪聲譜密度主要歸因于器件溫度的升高和熱電流的散粒噪聲。于此同時，實驗還表明較長的納米線會伴隨產生更大的Johnson熱噪聲。由于Johnson噪聲貢獻了大部分的噪聲譜密度，因此降低器件的電阻可以進一步降低其噪聲密度。

在文章的最后，作者給出一系列的器件優化和改進建議，包括使用熱電堆結構，優化熱電材料的性能，在真空環境中進行器件性能測試，以及使用其他納米光子結構進一步將光場匯聚在盡可能小的區域等等。

小結

最后總結一下，這篇來自加州理工的《Nature Nanotechnology》介紹了一種帶有納米光子共振結構的熱電探測器。該器件利用光學共振結構有效的將光場匯聚在較小的空間范圍，因此可以在納米尺度上獲得較大的溫度梯度，并在均勻光照下顯示出帶有頻率選擇的熱電壓響應。器件的頻率響應特性可以由器件的幾何參數調控，并且對材料的能帶參數不敏感。由于其較小的器件體積，它擁有比傳統熱電探測器快100倍的響應速率。

在這篇文章中，研究人員使用了FDTD全電磁場數值模擬研究了器件光學結構的特性并揭示了其頻率選擇的物理機理。模擬結果與實驗測試結果無論是在頻率分布還是強度上都表現出較高的吻合度?；贔DTD電場模擬結果而獲得的熱計算結果也與實驗測試結果接近，進一步印證了FDTD數值模擬計算的準確度。