Advanced Functional Materials:基于铌掺杂钛酸锶单晶的高性能光热协同探测器

现代智能感知系统的发展需求催生出了多功能传感器方向的研究,包括温度,压力,光照等多重刺激的协同响应,如何准确并且同时的感知多种外界刺激信号成为该方向研究的重要议题。传统的多功能传感器件都是基于不同传感元件的组合,在集成一体化和器件结构尺寸优化方面都存在问题。近年来,基于单一半导体传感器件的多重传感研究逐渐深入,尤其是以电子皮肤为代表的包含温度响应的多功能传感器件。相较于温度-压力传感方向的深入研究,温度-光电传感器从机理到器件都研究较少,大部分研究器件都受到温度和光照耦合作用的影响无法完成独立探测。为了解决上述问题,中科院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员课题组制备了半支撑铌掺杂钛酸锶(Nb:SrTiO3/NSTO)单晶器件,该器件对于光照和温度的刺激实现了同时且独立的高性能探测,即实现了光走光的阳“光”道,热走热的“温度”桥。

该结论的得出经过了一系列详细的测试论证。光电方面测试表明,NSTO热电-光电子探测器可以实现在超带宽范围内的光电响应,实验中采用980 nm近红外短波作为光源,测试结果显示其响应率在1.6 – 2 mA/W范围内。温度响应测试表明其可以探测低至0.5 K的温差且探测性能优异,达到~1.6762 uA K-1。同时,温度-光照协同刺激实验显示无论是在加热或者制冷的环境温度刺激下,总体的性能都表现为光响应和热响应的独立叠加,即“1+1=2”的现象。科研人员通过光生电场与热生电场的解耦合效应对此做出了解释:由于NSTO单晶优异的热电性能和半支撑结构的设计,光诱生电子与温差电场诱生的流动电子具有不同的运动特性,通过单晶纵向温差的进一步梯度分离,光电子效应与热电效应在体系中可以同时存在且互不干扰。也值得说明的是,通过适宜的温度控制和光照控制,器件的总体输出性能会的到有效提升。此外,由于光电子效应和热电效应的存在,器件具备优异的自驱动性能。这一研究首次将NSTO材料用于协同探测领域,并且首次实现了红外波长的温度-光电协同探测,进一步推动了多功能传感器件的探索与发展。

相关工作以为“Self-Powered Light-Temperature Dual-Parameter Sensor Using Nb-Doped SrTiO3 Materials Via Thermo-Phototronic Effect”题在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202010439)上。