最新成果 | 电气通信大学Tetsuo Kan教授团队:具有明显谐振波长偏移的机电可重构等离子体光电探测器

　　电气通信大学Tetsuo Kan教授团队提出了一种等离子体光电探测器，可以通过机电变形而不是偏置调整来重新配置其光谱响应。经过机电重新配置后，光电探测器在 1250 纳米到 1310 纳米的波长范围内显示出峰移。

1、等离子体光电探测器以机电方式重新配置其光谱响应；

2、光电探测器在1250到1310 nm的波长范围内表现出明显的峰移；

3、演示了使用光电探测器进行近红外光谱分析。

　　等离子体光电探测器一直被积极地研究，因为它们允许人们通过在表面上裁剪它们的金属结构而不需要额外的光学元件来设计它们的探测特性，如光谱或偏振响应。金属结构，称为等离子体结构，作为一个过滤器，选择性地吸收光的目标属性。在光电探测器制造后，通过重新配置等离子体共振状态来改变检测特性的能力不仅适用于根据情况的原位自适应检测特性变化，而且适用于几何约束空间中的单像素光谱和偏振测量。最近，一些研究报告了通过对材料(包括纳米晶体、有机半导体和过渡金属)施加偏置来动态地重新配置等离子体光电探测器的光谱响应率。然而，这些光电探测器的光谱响应率变化相对较小；特别是，还没有人能够在室温下连续地改变谐振波长。为了获得独特的峰值位移，作者提出了一种等离子体光电探测器，它用机电变形而不是偏置调谐来重新配置其光谱响应。作者研究了在室温下，光电探测器在1250 ~ 1310 nm的近红外范围内表现出明显的光谱响应峰漂移。

　　近年来，一些研究报告了通过对材料(包括纳米晶体、有机半导体和过渡金属)施加偏置来动态地重新配置等离子体光电探测器的光谱响应率。通过施加偏置来改变共振状态的方法没有运动部件，并且对诸如振动等干扰是多余的。据作者所知，在1250 ~ 1310 nm波长范围内，利用偏置调谐的可重构等离子体光电探测器的峰值移位尚未有研究报道，文章对此进行了研究。以前的研究报告的变化，在其他波段的光谱响应显示没有峰移室温。此外，使用有机半导体的光电探测器在可见范围内随偏置调谐的光谱响应形状发生了变化。然而，光电探测器没有表现出峰移，这在进行光谱学时尤其成问题。机械重构的几何等离子体结构已被广泛提出，因为它提供了一个独特的和令人兴奋的特征——主动控制反射光的颜色，并与静态结构相比改变光谱或焦距。尽管各种新兴的机械调制方法的研究，大多数的研究集中在滤波器和波束转向的应用。

　　为了获得独特的峰值位移，作者提出了一种等离子体光电探测器，它用机电变形而不是偏置调谐来重新配置其光谱响应。本研究中的光电探测器由一个n型硅悬臂梁组成，其表面形成一个等离子体金衍射光栅，并在其旁边放置一个电极。电极位于悬臂上方，通过在电极和悬臂之间施加电压产生静电力。静电力使悬臂梁共振，并在光入射角处重新配置等离子共振态。采用双之字形悬臂脚来降低刚度，提高扫描入射角振幅。当特定波长的入射光以相应的角度进入时，表面等离子体共振(SPR)发生并吸收入射光。SPR吸收的光为光栅上的金电子提供了能量，激发的电子跳过了金和n型硅之间的能量势垒，称为肖特基势垒。作者检测特定波长的入射光，以测量这些电子作为通过阳极和阴极的光电流。由于静电力使入射角振动，光电探测器的探测波长被周期性地扫描。在作者的研究中，由于机电重构，在室温下，在1250 ~ 1310 nm波长范围内观察到系统的峰移，这与以往的研究有显著差异。该结构具有在工业硅成像系统中作为近红外光谱仪的潜力，因为该结构还可以通过肖特基结在硅上实现亚带隙光检测。该研究还表明了等离子体光电探测器与其他静电驱动微机械结构集成的可能性。这项技术扩大了未来等离子体光电探测器的应用范围。

图1: 机电可重构等离子体光电探测器原理。(a)具有等离子体结构和金衍射光栅的可重构光电探测器示意图。(b)机电驱动角扫描和波长特定光检测。(c)电极和悬臂之间的电容耦合，产生周期位移电流D(t)。

　　本研究中的光电探测器由一个n型硅悬臂梁组成，其表面形成一个等离子体金衍射光栅，旁边放置一个电极(图1(a))。电极位于悬臂上方(图1(b))，通过在电极和悬臂之间施加电压产生静电力。静电力使悬臂梁共振，并在光入射角处重新配置等离子共振态。采用双之字形悬臂脚来降低刚度，提高扫描入射角振幅。当特定波长的入射光以相应的角度进入时，表面等离子体共振(SPR)发生并吸收入射光。SPR吸收的光为光栅上的金电子提供了能量，激发的电子跳过了金和n型硅之间的能量势垒，称为肖特基势垒。作者检测特定波长的入射光，以测量这些电子作为通过阳极和阴极的光电流。由于静电力使入射角振动，光电探测器的探测波长被周期性地扫描。研究中，由于机电重构，在室温下，在1250到1310 nm的波长范围内观察到系统的峰移位。

图2: 光电探测器在机电扫描中的作用。(a)悬臂在每个时间位置的扫描角度。(b)-(f)在所获得信号的一个周期内每个时间位置的响应度，从信号的两个周期中求平均值。

　　作者测量了光电探测器的响应，其中排除了由静电驱动产生的位移电流的贡献。光电探测器的响应度如图5(b)-(f)所示。图5(a)显示了在0、1/4T、1/2T、3/4T、T周期内，本实验悬臂在时间位置的扫描角度，图5(b)-(f)显示的信号清楚地显示了位移电流的消除。在扫描角25.7°到30.3°对应的1/2T 到T的时间范围内，图5(b)-(f)所示响应度峰值处的入射角随着入射光波长的增加而增大，且这些峰值移位与旋转阶段的实验一致。然后，作者得出结论，利用位移电流消除方法，光电探测器的光电流测量可以在机电重构过程中进行。在图5(b)-(f)中，一个轻微的类似缺口的工件显示在3/8T(由红色三角形表示)和7/8T(由蓝色三角形表示)。位移电流信号和AWG信号之间的小滞后或误差可能会导致这些伪影。延迟或误差可以通过提高AWG的时间和电压分辨率或通过仔细的手动调整来减少。

图3: 光谱学示范。(a)， (b)光谱学测量的光电流信号，由红线所示的两个单色波长照射产生。橙色和蓝色线表示单色照射下的光电流信号。每个波长在对应的图上以纳米为单位显示。(c)， (d)由光电探测器获得的光电流信号所得到的光谱和位移电流的去除方法。红线表示文章方法的光谱;蓝线显示从参考近红外光谱仪(Sol2.2A, BWTEK, usa)获得的结果。

　　最后，作者使用光电探测器的机电可调谐性进行了光谱测量，以演示其光谱应用。两个单色波长((a) λ = 1260和1290 nm， (b) λ = 1250和1290 nm)同时从光源进入光栅，机电重构过程中获得的光电流信号如图6(a)-(b)中的红线所示。在进行光谱学时，假定同时输入得到的光电流为各波长产生的光电流的线性和。接下来，利用图6(a)-(b)中的这些光电流信号和光谱计算方法，计算出了图6(c)-(d)所示的光谱。图6(c)-(d)中的红线显示了从文章的光电探测器的信号计算出来的结果，蓝线显示了参考光谱仪(Sol2.2A, BWTEK, usa)的结果。如图6(c)所示，由光电探测器的信号计算得到的光谱在1260和1290 nm处有峰值，而由参考光谱仪得到的光谱在相同波长位置有峰值。然而，从光电探测器信号计算的光谱也在1240 nm处显示出一个峰值。这个峰值可能来自图5(b)-(f)中的缺口形工件。图6(d)所示的结果也适用同样的评估。由于图6(d)中峰的数量和波长也相同，因此作者确认了文章的光电探测器得到的光谱与参考光谱仪的结果是一致的，即使光谱在每个波长上的强度不同。