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南京大學在超弱紅外光探測方面獲突破進展
2025年06月12日 14:31:57
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：4238
南京大學王肖沐教授和王軍轉(zhuǎn)教授通過設計遂穿結(jié)光電場效應晶體管，創(chuàng)新地提出基于陡坡效應的光電晶體管，這一突破重新定義了光電探測器的靈敏度標準。
近日，南京大學科研團隊在超弱紅外光探測領(lǐng)域取得了顯著進展，這一突破重新定義了光電探測器的靈敏度標準。這項研究不僅為紅外光探測技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向，也為相關(guān)領(lǐng)域的科學研究和實際應用帶來了新的可能。
南京大學王肖沐教授和王軍轉(zhuǎn)教授通過設計遂穿結(jié)光電場效應晶體管，創(chuàng)新地提出基于陡坡效應的光電晶體管(steep-slopephototransistors)，即通過降低亞閾值擺幅提升紅外極限弱光探測探測能力的方法，突破了常規(guī)只采用比探測率定義探測器的探測極限的標準，并在實驗上取得突破性進展。
在現(xiàn)代科技領(lǐng)域，高效靈敏的紅外光檢測技術(shù)在夜視、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療成像和通信等應用中具有關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)紅外探測器通常采用比探測率(D*)和等效噪聲功率(NEP)作為性能評價指標，然而在器件工作在非線性面對極弱光信號時，由于器件受到熱擾動帶來的所謂‘Boltzmanntyranny’的限制，往往需要先填充器件量子電容，從而降低載流子傳輸?shù)膭輭?，嚴重制約了其在弱光探測中的應用性能。
針對這一技術(shù)瓶頸，科研團隊提出創(chuàng)新解決方案，開發(fā)出隧穿結(jié)的場效應器件結(jié)構(gòu)(TFET)。該器件利用隧穿效應實現(xiàn)小亞閾值擺幅(SS)，顯著提升了光生載流子的收集效率，使弱光探測能力較傳統(tǒng)器件提升30倍以上，取得了突破性進展。
研究團隊采用窄禁帶的黑磷作為探測器工作物質(zhì)，通過創(chuàng)新性地分區(qū)柵控構(gòu)造隧穿結(jié)的場效應器件結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的場效應晶體管(CFET)，隨著載流子濃度增加，遂穿結(jié)更容易實現(xiàn)對載流子的抽取和收集，這樣就對應更陡直更小的SS。通過測量器件變溫輸運曲線，分別提取了不同溫度下的SS，證實了亞閾值區(qū)域TFET帶間遂穿主導的工作模式，大大降低了SS。進一步研究了亞閾值擺幅(SS)與開啟閾值的關(guān)聯(lián)性，得到了探測閾值光功率基本和SS成正比的關(guān)系，實現(xiàn)了超弱紅外光信號的高效捕獲與轉(zhuǎn)換，80K溫度下，最低探測功率為35pW。這一突破性進展為紅外探測技術(shù)的發(fā)展開辟了新途徑，在微弱信號檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應用價值。
南京大學在超弱紅外光探測方面的這一重要進展，為光電探測器的靈敏度標準樹立了新的標桿。相信在未來，隨著這項技術(shù)的進一步完善和推廣，將在科學研究和實際應用中發(fā)揮更大的作用，為推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展做出更大貢獻。
素材來源：南京大學
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