Advanced Materials:具有超高光灵敏度的柔性全纳米线红外传感集成系统

红外光电探测器作为一种重要的光电器件,在光通信、光开关、图像传感、军事侦察等方面有着广泛的应用。红外探测成像具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天候、全天时工作等优点,已经在军用和民用领域得到了广泛的应用。同时其在人体健康方面包括脉搏检测、血氧检测和体温检测等可穿戴设备方面也具有较大的应用潜力,是未来柔性可穿戴领域中重要的发展方向之一。与传统的半导体材料相比,低维半导体纳米材料具有大的比表面积,独特的电子限域作用和可调的光吸收能力,近年来在红外光电探测器领域显示了很大的应用和发展空间。然而目前基于低维纳米材料制作的红外光电探测器存在光暗电流比小,光灵敏度低,光电流小等诸多问题,极大的限制了其实际应用。

有鉴于此,中国科学院半导体超晶格国家重点实验室沈国震研究员课题组设计并开发了一种柔性全纳米线红外传感系统。该系统集成了基于Bi2Se2S纳米线制成的红外光电探测器和基于Ga-In2O3纳米线的晶体管。受外界红外光的刺激时,光电探测器的电导发生变化,进而激发晶体管从高阻态转换为低阻态,从而实现了将红外探测器光灵敏度的有效放大。研制的红外传感系统对外界红外光表现出出色的灵敏度,相比于传统基于低维纳米材料的红外探测器,灵敏度提高了3-4个数量级。同时,该设计思想具有广谱适用性,也可以用于实现紫外或可见光探测器的灵敏度的放大。另外,通过扩展器件阵列的像素密度而组装的图像传感阵列,实现了对于外界图像式光线分布的高对比度感知。将所感知的图像通过神经网络学习进行图像识别发现,相比未集成的探测器,其识别度和准确度均有显著提高。

研究者相信,此项研究工作所设计的红外传感系统为红外探测器灵敏度的提升以及柔性红外图像传感的应用等提供了一些新的思路。相关论文以 “An Integrated Flexible All‐Nanowire Infrared Sensing System with Record Photosensitivity” 为题在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201908419)上,中国科学院半导体所的娄正副研究员和沈国震研究员为共同通讯作者。