研究背景
太赫兹波在医学，通信、安全、成像和非侵入式质量测试等领域都有广泛的应用前景，但是由于太赫兹光子能量低，容易受到热噪声的干扰，由于缺乏快速灵敏的THz光电探测器以及在室温下运行的高性能便携式THz源，使得太赫兹技术的发展受到了严重阻碍。二维材料具有独特的电子和光电特性（例如超快电荷传输以及可调节的光子吸收等），为研究物质的量子态提供了广阔的平台。以石墨烯、过渡金属硫族化合物、黑磷、拓扑绝缘体为代表的新型二维材料体系的出现为太赫兹探测提供了新的平台。最近的研究表明二维材料具有显著的光热电效应（PTE），通过吸收太赫兹产生非平衡热载流子形成温度梯度分布，利用场效应调控可实现非平衡载流子的快速抽取与信号调制，可避免传统单粒子激发的量子极限问题并具有宽带宽与可集成的优势，从而有望实现太赫兹的室温有效探测。当前利用PTE效应进行太赫兹探测的主要障碍是入射波长与相对较小的光敏区域之间的巨大失配，材料吸收能力较弱，从而导致响应度低。
与石墨烯类似，如果存在非对称性（如不对称掺杂或天线反馈），黑磷（BP）中的光热电效应也是在THz频率下通过带间过程进行电子热驱动的光响应。由于其面内各向异性，BP表现出高的电导率和热导率，然而BP的光热电效应在红外和THz波段均未得到充分利用。
成果介绍
有鉴于此，近日中国科学院上海技物所陈效双研究员、王林副研究员和苏州纳米所张凯研究员（共同通讯作者）报道了基于超短沟道黑磷器件中光热电效应（PET）的灵敏太赫兹探测和成像。通过仿真发现超短沟道结构能够有效的实现太赫兹电场聚焦和增强，在沟道尺寸远小于太赫兹波长甚至超过金属天线的趋肤深度时，太赫兹电场增强达到2~3个数量级，可以大大提高电子与光子作用的概率。使用BP作为沟道材料，具有载流子迁移率高，带隙随厚度可调和导电性，导热性面内各向异性等优点，可以促使热电子的快速转移与光子吸收。采用非常规工艺，利用倾角二次套刻技术可控制不同BP沟道长度结构，获得了超短沟道（20~100 nm）非对称蝶形天线耦合的太赫兹探测器，该探测器表现出出色的灵敏度297 V W-1，室温噪声等效功率小于58 pW/Hz0.5，响应时间低于0.8 μs，优于其他室温热基探测器。与现有太赫兹探测器进行比较，再加上进一步的光泵浦和成像实验验证，证实了局部场效应在趋肤极限中的重要性，为开发高灵敏的太赫兹探测器提供了新的思路。文章以“Sensitive Terahertz Detection and Imaging Driven by the Photothermoelectric Effect in Ultrashort-Channel Black Phosphorus Devices”为题发表在著名期刊Advanced Science上。
图文导读
图1. 通过倾角技术制备的超短沟道PTE探测器。（a-d）器件制备过程示意图：（a，b）通过紫外光刻和剥离工艺制备的预先具有4 μm长沟道对称电极接触的BP器件。（c，d）通过二次紫外光刻后的倾角放置和剥离工艺后，在BP光电探测器中形成亚100 nm的沟道和不对称电极接触。（e，f）用于器件图案化的BP薄片的光学显微镜和AFM图像。（g，h）具有30 nm沟道长度且中心区域放大的一个器件的光学显微镜和SEM图像。（i，j）30 nm器件的拉曼光谱和电流-电压特性。（k）沟道长度对倾角θ的依赖变化。
为了实现具有超短沟道的太赫兹探测器，如图1所示，通过使用倾角蒸镀技术，可以实现具有异种金属的不对称电极。多层BP机械剥离到高阻Si衬底上，通过Raman和AFM表征了30 nm厚的薄片（图1f，i）。然后，通过紫外光刻，电子束沉积和剥离工艺，使BP薄片与两个由10/60 nm（Cr/Au）金属堆叠制成的，具有4 μm间隙的蝶形天线接触（图1b） 。为了将入射的THz辐射集中到一个非常小的光斑区域，专门进行第二次光刻，在沟道上打开一个窗口，然后沿不同的倾斜角度θ进行电子束沉积（图1c）。热载流子产生光电流需要塞贝克系数梯度，因此在第二次光刻之后专门沉积了10/60 nm（Ti/Au）电极，形成亚100 nm沟道（图1c）。最后，进行ALD工艺沉积20 nm厚的Al2O3作为保护层，以避免BP降解（图1d）。通过改变蒸发角θ，可以可控地将沟道的长度从100 nm减小到20 nm。
图2. （a，b）太赫兹场增强的概念和模拟结果：（a）光感生的交流电为亚100 nm的狭缝充电，导致局部电场增强，如渐变颜色轮廓所示。（b）天线横截面（白色虚线）和亚100纳米的沟道在0.12和0.29 THz处的THz场分布，在热点处增强了大约两个数量级。（c-e）由两个不同的金属接触形成的在亚100 nm沟道结区处的能带图以及电子温度T（x），塞贝克系数S（x）和电势梯度∇V（x）= -S×∇T（x）的分布图。在器件的整个长度上，光响应与∇V（x）的积分成比例。
当太赫兹波垂直入射到天线上时，在表面会感应出交流电流，从而导致电荷在沟道附近天线的边缘积聚。当天线中心的缝隙（或沟道）继续朝着亚波长及以下减小时，边缘处的电荷密度相应增加，从而导致电场极大增强（图2a）。超短沟道的存在极大地改变了太赫兹场的振幅，从而在沟道处引起了热点状分布（图2b）。当沟道长度为30 nm时，在0.29 THz处的场增强超过两个数量级，表明电磁压缩比超过104。图2c-e给出了器件的工作原理：多层BP中的电子/空穴被热点处的入射场加热，两个金属接触电极用作散热片，导致温度梯度∇T（x）随沟道位置x变化。由于在两个金属-BP界面处的金属诱导掺杂不同，塞贝克系数在整个沟道上是不对称的，热电子扩散产生电势梯度∇V（x），总信号为沟道上∇V（x）的积分，由于不对称性，该积分不为零。当Vbias=0 V时，由于金属功函数差，净光电流可以从Cr/Au流动到Ti/Au，空穴会更耗尽，塞贝克系数在Cr/Au-BP界面较大。但是，当从Cr/Au向Ti/Au施加负偏压时，塞贝克系数差将减小甚至改变其符号，从而使光电流改变其方向。
图3. （a）PTE器件的电学结构，太赫兹辐射由离轴抛物面反射镜聚焦，此处Ti/Au接地。（b）在各种激励频率下的脉冲电流响应，表现出PTE效应占主导机制的宽带性质。（c）30 nm器件在0.29 THz时的偏振依赖性。（d，e）30 nm和4 μm器件的响应时间比较。（f）超短沟道PTE器件和4 μm沟道器件在0.12 THz时响应的偏压依赖性。（g-i）分别在0.12和0.29 THz的光电流，响应率和NEP与偏压的关系。
图3b显示了零偏压时，在不同入射光子频率的作用下时间分辨的光响应，所有脉冲形状都得到了很好的保存，并具有良好的信噪比，这表明器件适用于多频带探测，符合亚波长蝶形结构的理论预测。当太赫兹电场平行于沟道时，响应度最小，而当太赫兹电场垂直于沟道时，通过激发交流电荷振荡，信号增强了120倍，最终导致叶状极化图（图3c）。单周期时间响应如图3d所示，PTE探测器在零偏压下产生的上升时间为0.8 μs，下降时间为1.5 μs，证实了实时成像能力，同时4 μm沟道长度器件响应的上升/下降时间约15 μs（图3e）。通过施加正偏压，空穴更容易从Cr/BP界面流向Ti/BP界面，使得光电流增加，短沟道器件的光电流增加幅度更大（图3f）。在0.12和0.29 THz的光电流、响应率和噪声等效功率（NEP）与偏压的变化如图3g-i所示，在灵敏度和速度上均优于其他基于热的驱动探测器。表1总结了在不同倾角下获得的具有不同沟道长度器件的性能，可以发现将通道长度减小至30 nm，性能仍在不断提高。
图4. 在零偏模式下对亚100 nm沟道探测器进行红外泵浦并利用BP的太赫兹辐射进行探测。（a）红外辅助太赫兹光电流响应器件的3D示意图。（b）器件的太赫兹光电流响应随红外光源功率的变化。（c，d）光泵浦激发引起的费米能级移动消除了两个金属-BP界面之间塞贝克系数的差异，就像光开关一样。
由于BP是窄带隙半导体，其光子吸收表现出波长依赖性，直至中红外波长。可见光/红外光泵浦有望成为进一步处理由太赫兹波引起的非平衡载流子分布的可行工具。如图4a所示，825 nm的连续光泵浦激光被均匀照射到探测器上，以控制THz场下的载流子动力学，当激光强度增强时，THz光响应降低（图4b）。这种现象可以归因于近红外辐射的热效应，消除了非平衡载流子的不对称分布，并引起光电流漂白。同时，非平衡载流子分布的扩大和准费米能级的上移导致较小的塞贝克系数差异，进一步降低了光信号（图4c，d）
图5. （a）成像中使用的新鲜叶片的光学照片。（b）新鲜叶片的0.29 THz无损透射图像清楚地显示出叶脉。（c）金属钥匙的光学照片。（d）封装在信封中的钥匙的太赫兹图像，基于BP的太赫兹探测器可以探测人眼看不见的物体。（e）用于太赫兹探测和宏观物体成像的装置示意图。
将器件放置在图5e所示的THz光束焦点上，进行THz成像应用研究。太赫兹源被调谐到0.29 THz，并在室温环境下以1 kHz的重复频率运行。光电探测器在零偏压和20毫秒积分时间下运行，可以清晰地看到叶片的叶脉和封装在信封中的钥匙，表明PTE探测器可以用于大面积成像。
总结与展望
本文通过倾角金属沉积的方法获得低至30 nm的超短沟道，在趋肤深度限制范围内利用光热电效应提高了THz光电探测器的性能。器件表现出高于297 V W-1的高响应能力，低于58 pW Hz0.5的噪声等效功率以及在宽光子频率上的快速响应能力，优于其他室温工作的热基探测器。太赫兹成像实验表明基于BP的PTE光电探测器在生物医学传感，无损评估和质量控制中具有实际应用可能。通过天线优化及材料选择等有望进一步提高室温THz探测器的灵敏度。
文献信息
Sensitive Terahertz Detection and Imaging Driven by the Photothermoelectric Effect in Ultrashort-Channel Black Phosphorus Devices (Adv. Sci., 2020, DOI: 10.1002/advs.201902699)
文献链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201902699
