北京大学物理学院现代光学研究所“极端光学团队”吕国伟研究员和龚旗煌院士等在超表面调控砷化镉光电探测器响应研究中取得重要进展：基于超表面微纳结构调控光学准柱面波，实现砷化镉光热电探测器的宽波段增强和偏振依赖响应。相关成果以“Metasurface Enabled Photothermoelectric Photoresponse ofSemimetal Cd3As2for Broadband Photodetection”为题，近日在线发表于《纳米快报》（Nano Letters）。

狄拉克半金属砷化镉因其超高载流子迁移率、宽波段光电响应、优异光响应度、超快光响应速率等优势，成为高性能光电探测器的新兴材料。砷化镉光电流响应是基于光激发产生电子空穴对的电荷分离过程。其电荷分离机制包括光生伏特效应、光致丹倍效应以及光热电效应等。其中光生伏特和光致丹倍效应通常发生在砷化镉与电极的接触区域，限制了该类探测器光电响应区域及潜在应用。

北京大学“极端光学团队”长期致力于低维材料光学特性的超高时空分辨研究，研究团队利用飞秒光发射电子显微镜，从时间空间和能量等多维度研究了砷化镉纳米片的载流子超快弛豫动力学过程；进一步发现砷化镉纳米片表面存在显著的准柱面波光学模式，并且通过人工微纳结构实现了对准柱面波调控（J. Phys. Chem. C2022, 126, 3134；Adv. Photonics Res.2022, 2100354），如图1所示。准柱面波广泛存在于金属和半导体等材料体系中，例如砷化镉和硅等，具有非共振宽谱响应等特点，准柱面波为光电器件的性能调控提供了一种有效途径。由于砷化镉半金属具有优异的热电性质，因此，通过超表面结构调控其光热电响应是实现有效电荷分离的新途径。

图1. 光发射电子显微镜观测砷化镉纳米片表面的准柱面波光场以及微纳结构对准柱面波光场的调控

（Adv. Photonics Res.2022, 2100354）

实验上，研究人员设计并在砷化镉纳米片上制备了超表面结构，用以调节砷化镉光电探测器的光热电响应，实现光电响应区域的任意调节。通过超表面结构可以增强器件的光吸收率，在超表面边界附近形成温度梯度，进而产生光热电响应。原位光电响应扫描成像测试表明超表面边界的光热电响应相比电极接触区域的光生伏特响应更高。功率依赖测试表明砷化镉超表面器件是二阶线性依赖光响应，如图2所示。该砷化镉超表面器件可以在0.488 μm至4.0 μm宽波段范围内产生光热电效应增强的光电响应，器件的光电响应度达1 mA/W。此外，砷化镉本征材料光学特性是各向同性，超表面可赋予器件各向异性即偏振依赖光电流响应。飞秒光发射电子显微镜高分辨表征证实了砷化镉超表面结构中准柱面波光学模式，超表面光吸收增强是由于准柱面波、散射光场、以及入射光场的干涉增强效果，如图3所示。该研究结果表明通过人工超表面结构调控可显著提高基于半金属材料光热电响应器件的性能。

图2. 砷化镉超表面器件光电流响应;（a）砷化镉超表面器件电镜图;（b）器件扫描光电流测量示意图;（c）光反射扫描成像;（d）光电流扫描成像;（e）光电流强度分布图;（f）光电流响应功率依赖测量

图3.（a）模拟计算砷化镉超表面吸收光谱;（b）接触电极区域各向同性光电流响应;（c）超表面边界区域各向异性光电流响应;（d）砷化镉超表面电镜形貌;（e）砷化镉超表面结构与准柱面波的光发射电子显微镜成像;（f）超表面光热电响应机制

北京大学物理学院博士生薛朝航、范子璞、廖馨是文章共同第一作者，吕国伟研究员、孙栋研究员、廖志敏教授为共同通讯作者。研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子材料科学中心、量子质科学协同创新中心、广东省基础与应用基础研究重大项目和极端光学协同创新中心的支持。

文章链接： https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c03574