為實現(xiàn)更高性能的光熱電探測，有效地將光能、熱能局域以實現(xiàn)高效的光-熱-電能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。然而，由于襯底的影響，目前微納尺度下器件多物理場耦合作用機制的研究具有較大的挑戰(zhàn)性。在片上集成器件向三維空間發(fā)展的趨勢下，三維微納器件的構(gòu)效關(guān)系也需要詳細探索。因此，利用納米薄膜剝離組裝技術(shù)將功能材料薄膜與襯底分離，構(gòu)建獨立的三維微納結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)光、熱能量局域，將為上述研究提供極大助力，為相應(yīng)器件的實用化奠定重要基礎(chǔ)。

近日，材料科學(xué)系黃高山/梅永豐課題組利用自卷曲技術(shù)，將作為光熱電活性材料的碲納米薄膜從襯底分離并組裝成三維管狀自驅(qū)動光探測器，揭示了器件中的光、熱能量局域以及三維尺度下的光-熱-電轉(zhuǎn)換機制，實現(xiàn)了寬帶光探測及靈敏度提升，為多維度光電探測提供了有效的解決方案。相關(guān)研究成果以“Enhanced photothermoelectric conversion in self-rolled tellurium photodetector with geometry-induced energy localization”為題，發(fā)表于Light: Science & Applications。

團隊提出選用光熱電活性材料，應(yīng)用自卷曲納米技術(shù)，利用納米薄膜縱向內(nèi)應(yīng)變梯度，將從襯底釋放的納米薄膜組裝成三維卷曲結(jié)構(gòu)（圖1a）。由于諧振效應(yīng)，光場能量被局域在懸空的三維管壁中（圖1b），產(chǎn)生更大的溫度差，因此在熱-電轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生了顯著的電勢差。實驗結(jié)果進一步驗證了管狀探測器對光探測性能提升的顯著效果，自驅(qū)動光生電壓實現(xiàn)了307倍的提升。

圖1.自卷曲光熱電探測器的結(jié)構(gòu)及能量局域：a. 自卷曲光熱電器件的結(jié)構(gòu)和工作原理；b. 光激發(fā)下器件中的電場分布模擬結(jié)果；c. 相同激光脈沖照射下管狀探測器和平面探測器的光生電壓-時間關(guān)系曲線。

團隊進一步驗證了自卷曲探測器中的光熱電效應(yīng)及其位置依賴關(guān)系。圖2a-b展示了自卷曲光熱電器件中入射光位置與光生電流強度與方向的映射關(guān)系，驗證了三維器件中光-熱-電耦合與轉(zhuǎn)換。本工作中所得到的自卷曲光熱電探測器也被證實能夠?qū)崿F(xiàn)從可見光到長波紅外超寬波段范圍的自驅(qū)動光探測（圖2c-d）。利用探測器卷曲圈數(shù)的調(diào)控，可以進一步優(yōu)化自驅(qū)動光探測器的性能。

圖2.自卷曲探測器的光熱電效應(yīng)驗證：a-b. 研究所用空間坐標(biāo)系，以及光生電流的位置依賴關(guān)系的示意圖和實驗結(jié)果；c-d. 多波長激發(fā)下入射光功率與自驅(qū)動光生電壓，電壓響應(yīng)度關(guān)系曲線。

得益于管狀探測器特殊的三維幾何構(gòu)型，自卷曲光熱電探測器展現(xiàn)了優(yōu)異的多維度信息探測能力。如圖3a所示，自卷曲探測器展現(xiàn)了極佳的廣角探測能力。此外，由于三維管狀結(jié)構(gòu)柱對稱特性，探測器對電場方向平行于管軸方向的偏振光有更好的響應(yīng)。自卷曲光熱電探測器通過單像素傳感實現(xiàn)了還原度極佳、分辨率極高的偏振成像，如圖3b所示。該結(jié)果驗證了自卷曲光熱電探測器具備強度、偏振方向多維度探測能力。

圖3.自卷曲光熱電探測器的全向探測與偏振成像：a. 卷曲探測器的廣角探測能力示意圖及角度分辨的光生電壓測試結(jié)果；b. 在偏振入射角為0°和90°情況下自卷曲器件的成像結(jié)果。

團隊利用與現(xiàn)有成熟半導(dǎo)體技術(shù)兼容的三維自卷曲納米技術(shù)結(jié)合熱電功能材料，設(shè)計制備了新型自卷曲三維光熱電探測器。三維管狀結(jié)構(gòu)有效地提高了光吸收和熱局域作用，并利用光、熱能量局域增強了光-熱-電轉(zhuǎn)化。本工作詳細分析了三維尺度下的光-熱-電多物理場耦合作用，并利用幾何結(jié)構(gòu)變化調(diào)控了探測器性能。該自卷曲光熱電探測器具備高靈敏度、寬光譜響應(yīng)范圍等優(yōu)異性能，還具備自驅(qū)動、全向探測、偏振成像等特色，在片上集成光電系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

復(fù)旦大學(xué)碩士生黃嘉媛為論文的第一作者，復(fù)旦大學(xué)黃高山教授為論文的通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金等經(jīng)費支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01496-0