紅外熱敏探測器不管是在軍事還是在民用領域都有著非常重要的應用。傳統的紅外熱敏探測器主要采用寬光譜吸收的方式，這雖然賦予了器件寬帶響應的特點，但同時也會因為引入了不必要的輻射熱導而增加本底噪聲，從而限制了器件的探測性能極限。研究表明，具有窄帶選擇性吸收的熱敏探測器在特定的條件下可以突破這一極限。經過精心設計的人工微納結構不但可以實現波長選擇性吸收來降低器件的輻射熱導，而且由于其具有亞波長特性，還可以大大降低器件的熱容，從而為實現高性能的紅外熱敏探測器提供了可能性。

據麥姆斯咨詢報道，中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室、復旦大學光電研究院和中國科學院大學的聯合科研團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發表了以“基于人工微結構的光譜選擇性紅外熱敏探測器”為主題的文章。該文章第一作者為談沖，主要從事超構表面增強吸收及光電器件集成方面的研究工作。

本文在簡單介紹紅外探測器基本概念的基礎上，聚焦測輻射熱計、溫差電偶和熱釋電探測器件，回顧總結基于人工微結構體系的光譜選擇性紅外熱敏探測器的相關研究進展。

圖1 電磁波與紅外探測：（a）電磁波譜。（b）開燈時所拍攝的作者的可見光照片（上圖）與紅外照片（下圖）。（c）關燈時下作者的可見光照片（上圖）和紅外照片（下圖）

紅外熱敏探測器

傳統的紅外熱敏探測器主要包括熱敏材料和與其直接接觸的吸收器兩個部分，通過吸收光產熱來進行探測，其基本結構如圖2所示。按照工作原理劃分，熱敏探測器主要可分為如下三種：溫差電偶、測輻射熱計和熱釋電探測器。這三種熱敏探測器使用的熱敏材料能夠將溫度變化轉化為電信號，不直接依賴于入射的光子。因此，熱敏探測器響應的光譜波段范圍在很大程度上取決于吸收器的設計。傳統的吸收器設計，包括無序金、鋁、硅和碳膜等，主要是聚焦在實現從可見到長波紅外的超寬帶吸收，從而實現了熱敏探測器的超寬帶響應。

圖2 熱敏探測器的基本結構

理想熱敏探測器的響應率、噪聲與探測率

熱敏探測器件吸收光時，其會產生溫度變化。溫度變化的第一項為瞬態項，會隨時間指數衰減。引入系數K = ΔV/ΔT來衡量熱敏材料在溫度變化時輸出電壓信號的能力。因此，熱敏探測器的電壓響應率如下，其中熱時間常數τth = Cth /Gth：

除了響應率外，熱敏探測器的性能還依賴于噪聲。理想熱敏探測器的噪聲主要來源是探測器與周圍環境發生隨機熱交換時的溫度擾動產生的熱擾動噪聲。熱導是熱敏探測器的關鍵參數，描述了探測器與環境熱交換的難易程度。相同溫度下熱敏探測器的熱導越低，其最小可探測功率越低，即噪聲越低。熱探測器與周圍環境熱交換的熱導包含三個部分，與空氣熱交換有關的熱導、與支撐結構熱交換有關的熱導和器件的輻射熱導。假設器件工作在真空環境中，且支撐結構具有完美的熱絕緣性質，即與空氣和支撐結構有關的熱導均為0，僅需考慮輻射熱導。

傳統的理想熱敏探測器理論上通常假設吸收器具有寬光譜吸收特性，且η基本不隨波長的變化而變化。可得噪聲等效功率為：

噪聲等效功率是理想熱敏探測器在輻射熱導產生的噪聲背景中能夠探測到的最小可探測功率，其為入射在探測器上的輻射產生的電信號恰好等于噪聲信號時所對應的輻射功率。

理想熱敏探測器的比探測率D*：

其中，Δf為噪聲等效帶寬，是探測器的有效噪聲帶寬。D*實際上是將NEP按探測器的面積和帶寬歸一化，使得具有不同面積以及電路的探測器能夠進行性能對比，是描述探測器性能的一個重要指標。

圖3展示了不同類型探測器的比探測率及其理論極限，結果顯示理想熱敏探測器的性能理論極限與光電探測器相比還有一定差距。不過，上述的理想熱敏探測器性能理論極限是基于理想的寬譜吸收熱敏探測器所得。由基爾霍夫輻射定律可知，物體的輻射率與吸收率有關，寬譜強吸收的特性意味著器件同時具有寬譜強輻射的特性，導致器件具有比較大的輻射熱導，增大了器件的噪聲，最終影響了探測器的性能上限。

圖3 紅外探測器比探測率隨波長變化關系圖

實際上，許多應用場景往往并不需要超寬帶的吸收，只需要對特定波長的電磁波強吸收即可。研究表明，具有窄帶選擇性吸收的熱敏探測器，其比探測率可突破寬譜吸收熱敏探測器的理論極限，甚至特定情況下可優于光電型探測器。與寬譜吸收的理想熱敏探測器相同，選擇性吸收的理想熱敏探測器也只需要考慮其與背景的輻射熱導產生的噪聲，這種噪聲來源于探測器發射或吸收的光子能量的漲落。

計算熱敏探測器在300 K下幾種選擇性吸收情況相比于寬譜全吸收的增強：若選擇性全吸收3-5 μm，其余波段完全不吸收，則比探測率增強4.19倍；若選擇性全吸收8-14 μm，其余波段完全不吸收，則比探測率增強1.41倍；若選擇性吸收的中心波長為10 μm，帶寬為100 nm，其余波段完全不吸收，則比探測率增強10.21倍。因此，光譜選擇性吸收的熱敏探測器件性能指標不但遠好于寬光譜響應熱敏探測器，甚至能夠超越長波紅外光電探測器的理論極限。

光譜選擇性熱敏探測器的實現方法

以超構表面、納米微腔為代表的人工微結構光子學器件近年來吸引了人們的廣泛關注。人工微結構可在比工作波長更短的尺度上操縱和控制光子，實現對光的選擇性強吸收，相關的工作實現了覆蓋微波、太赫茲、紅外到可見光等各個波段，被證明具有強大的電磁調控能力。人工微結構理念的出現，為紅外探測器的研究發展提供了新的契機。研究結果表明，將人工微結構引入到光子型紅外探測器，能夠有效提高探測器的性能，包括光導探測器，光伏探測器，量子阱探測器，超晶格探測器，量子點探測器以及肖特基型熱電子探測器等。另外，在熱探測器方面，研究結果顯示，通過精細的光學微結構設計，將人工微結構集成在測輻射熱計、溫差電偶和熱釋電探測器中，不但可以實現波長選擇性吸收，降低器件的輻射熱導，而且由于微結構具有亞波長特性，同時具有局域光的能力，可以通過減薄器件厚度來大大降低器件的熱容，從而可實現器件綜合性能的提升。

基于人工微結構光譜選擇性增強吸收的紅外熱敏探測器主要包括兩種類型，一種為法布里珀羅腔結構，另一種為人工設計的等離激元超構表面結構。這兩種結構能將光吸收并局域在特定的區域。對于如圖4所示的法布里珀羅腔型結構，熱敏材料設計在懸浮在反射襯底上，熱敏材料與反射襯底之間的間隔決定了共振波長。這種結構能夠實現窄帶而且可調諧的光譜響應特性。不過，該結構也具有以下局限性：（1）這種結構依舊要求在探測器上有吸收介質來吸收光并產生溫度變化。（2）法布里珀羅腔結構的吸收具有很強的角度相關性，需要使用低數值孔徑的成像系統。（3）懸浮結構的熱敏探測器下方需要形成法布里珀羅光學腔，無法加入支撐結構，增大了像元的尺寸，降低了焦平面陣列的填充系數。（4）像元的光譜響應由懸浮的法布里珀羅腔的長度決定，鄰近像元之間難以精確獨立地控制腔長，因此不易實現多光譜響應的探測。（5）由于熱敏探測器懸浮在反射襯底上，熱探測產生的機械振動會改變法布里珀羅腔的共振波長，也就改變了器件的工作波長，引入了額外的噪聲來源。

圖4 法布里珀羅腔結構的光譜選擇性探測器：（a）基本結構示意圖。（b）熱敏材料VOx置于腔內的結構。（c）熱敏材料置于頂層的結構。（d）基于法布里珀羅腔選擇性探測的微型光譜儀

與法布里珀羅腔結構相比，能夠同時具有光譜選擇特性和增強吸收特性的人工微結構超構表面在某些方面具有一定的優勢。超構表面是指由亞波長人工原子按某種特定排列方式構建的微結構陣列，因其結構單元及排列方式均可自由設計，展現出對電磁波強大的調控能力，近十多年來一直是光學領域研究的前沿。超構表面的電磁響應特性與其結構的幾何形狀有關，因此可以通過人工設計微結構單元實現所需的電磁響應。通常，超構表面的特殊電磁響應特性與腔結構類似，是通過共振來實現對特定波長的耦合。與微腔結構中常見的法布里珀羅共振不同，超構表面更多的是基于表面等離激元共振模式，實現對特定波長的光強吸收，并轉化為熱，進而通過熱敏材料實現熱電轉化。等離激元共振包括兩種類型，一種是表面等離極化激元（SPP），是被限制在介質與金屬界面上與金屬的電子等離子體發生耦合的傳輸型表面波，其波矢比介質中光子的波矢更大，無法直接激發，且電場在垂直于界面方向上呈指數衰減。另一種是局域表面等離激元（LSP），是金屬納米顆粒表面上的電子振蕩受到幾何形狀所產生的邊界條件限制，被局域在金屬納米顆粒表面的共振模式。上述的兩種共振類型可以通過具有微結構的超構表面激發，從而對共振波長位置的光產生強吸收。因此，集成了超構表面的熱敏探測器能夠通過上述兩種共振模式來實現光譜選擇性吸收。超構表面吸收器具有不需要額外的微腔結構就能實現增強吸收與光譜選擇的特性。因此，超構表面熱敏探測器不需要附加的光學結構，從而可以方便地設計和制備支撐結構以實現更好的熱絕緣和更大的填充系數。此外，材料的吸收、光譜以及角度特性在很大程度上由所設計微結構單元所決定，從而單片上就能集成不同光譜選擇特性的探測器。超構表面還能將光壓縮在亞波長的區域范圍內，使得吸收器的體積和質量很小，降低器件整體的熱容，提高器件的性能。因此，集成人工超構表面微結構的熱敏探測器具有更大的優勢，接下來，我們簡要介紹基于人工微結構材料體系的光譜選擇性熱敏探測器的相關實例。

相關實例

測輻射熱計

測輻射熱計利用材料的電阻隨溫度變化而變化的特性來測量吸收到的輻射。實際應用中，在恒定的電流或電壓工作模式下，吸收熱輻射后溫度升高產生的電阻變化可通過測量對應的電壓或電流的變化來獲得。對于測輻射熱計，衡量其材料性能的一個重要參數是電阻溫度系數α（TCR）。電阻溫度系數是溫度變化時材料電阻變化的百分比，描述了材料的電阻對溫度變化的敏感程度。絕大多數材料由于存在熱激發載流子和熱相關的散射過程，其TCR 的值都不會為0。常用的具有電阻高溫度變化特性的材料包括非晶硅和氧化釩，其TCR值超過了2%。

金屬-介質-金屬的三層結構在超構表面吸收器方面已經有了成熟的研究工作，因此可以直接將其利用到測輻射熱計上，作為光學吸收結構使用。圖5（a）是Thomas Maier 等早期提出的金屬-介質-金屬三層結構作為吸收器的測輻射熱計。圖5（b）為Shun Jiang等人所報道的利用相變材料VOx作為熱敏材料，表面集成了Au-SiN-Au光柵型微結構的測輻射熱計。圖5（c）所展示的是Thang Duy Dao等人設計的集成了金屬-介質-金屬（Au-Al?O?-Au）型超構表面吸收器的測輻射熱計，器件選取了a-Si作為熱敏材料，并在超構表面吸收結構與熱敏材料間生長了一層絕緣介質Al?O?以防漏電。圖5（d）為Amjed Abdullah等人所提出的超構表面集成測輻射熱計，器件利用SixGeyO1-x-y作為熱敏材料，采用單層Al方塊超構表面陣列作為吸收器，并設計了支撐結構以實現良好的熱絕緣。圖5（e）是Chunxu Chen等設計的Au-SiNx-Au結構的超構表面測輻射熱計，頂層的Au結構同時作為光學結構和熱敏材料，且底部進行了懸空處理以降低熱導。

圖5 金屬-介質-金屬結構超構表面選擇性吸收測輻射熱計

除了上述的金屬-介質-金屬的三層結構之外，單層超構表面結構通過合理的結構設計也能實現探測器性能的增強。圖6（a）左圖是M Mahjouri-Samani等設計的菱形Ag超構表面結構。圖6（b）是Tatsuya Tsubota等人設計的用于近紅外波段的Si基測輻射熱計。圖6（c）是F. B. P. Niesler等人設計的近紅外波段金屬測輻射熱計。Chen Chen等設計了如圖6（d）所示的以Ti和Si作為熱敏材料的測輻射熱計。他們所使用的懸空薄膜結構厚度僅為220 nm，且單像元尺寸僅為6.2 μm，從而大大降低了器件的熱容。

圖6 超構表面選擇性吸收測輻射熱計

溫差電偶

溫差電偶探測器的結構與測輻射熱計類似，但其熱電轉化的原理是塞貝克效應。塞貝克效應是指兩種導體存在溫差時，其兩端會產生溫差電勢。利用塞貝克效應所制成的器件被稱為溫差電偶探測器。與測輻射熱計不同的是，其工作時不需要額外的恒定電壓或電流，且可以通過串聯多個結組成溫差電堆來增大響應的電壓。對于這類型的器件，衡量材料性能的重要參數是塞貝克系數。

溫差電偶通常是利用兩種不同塞貝克系數的材料接觸形成結來實現的。常用的高塞貝克系數的金屬材料包括鉍和銻，其單種材料的塞貝克系數約為幾十μV/K；半導體材料包括n型與p型硅，碲化鉍，碲化銻等，單種材料的塞貝克系數為一百到兩三百μV/K。一般而言，半導體材料具有相對更好的性能。亞波長人工微結構的集成也能夠提升溫差電偶的性能。

Shinpei Ogawa等人設計了一種集成了金屬孔陣列的溫差電探測器（圖7（a））。這種金屬孔陣列能夠通過調節幾何結構尺寸實現在4–7 μm波段內可調的強吸收，從而實現光譜選擇性探測。圖7（b）為Anand S. Gawarikar等人所報道的溫差電堆探測器，器件采用了由 Ge-NaF-Cr反射層和Ge-Ni吸收層組成的法布里珀羅腔結構，對10 μm附近的紅外光實現了類法布里珀羅共振，吸收峰的半高寬約為2.5 μm。圖7（c）是AlexanderLochbaum等設計的用于針對二氧化碳氣體傳感的器件，器件由一個熱輻射光源和一個溫差電偶探測器組成。圖7（d）是Aapo Varpula等人設計的具有網格結構的長波溫差電偶探測器。該器件采用P型與N型多晶硅作為熱電偶材料，并分別集成了TiW和TiN的網格結構作為吸收器，吸收結構實現了8 – 14 μm波段的選擇性吸收。

圖7 基于塞貝克效應的光譜選擇性熱敏探測器

近年來，利用新材料和新方法還進一步制備得到了一些新型溫差電偶探測器。Mingyu Zhang等人制備和測試了如圖8（a）所示的碳納米管溫差電偶探測器。圖8（b）是Alireza Safaei設計的基于塞貝克效應的長波熱探測器。圖8（c）為Mahdiyeh Abbasi等人所提出的新型溫差電偶探測器。

圖8 超構表面選擇性吸收新型溫差電偶探測器

熱釋電探測器

熱探測器的另一種類型是熱釋電探測器。熱釋電探測器利用了熱釋電效應，即溫度變化時，晶體內的極化發生變化，從而在表面產生電荷。與其他兩種熱探測器不同，熱釋電探測器是一種交流器件，探測的是溫度的變化。大部分熱釋電材料也是鐵電材料。

熱釋電探測器在工作時，溫度變化引起極化變化，從而在表面產生電荷，并在外電路形成電流，其信號的大小取決于材料溫度的變化大小以及熱釋電系數的大小。鐵電材料的熱釋電系數相對較高，約為一兩百μC/m2K，如鈦酸鋇，鈮酸鋰等；而非鐵電材料的熱釋電系數普遍較低，在十μC/m2K以下，其中硫酸鋰的系數相對高，總熱釋電系數為86.3 μC/m2K。

熱釋電探測器的響應率在高頻下的衰減比測輻射熱計和溫差電偶更慢，因而具有更高的截止頻率和更快的響應速度。然而，受限于光吸收后的熱擴散過程，實際的傳統寬譜吸收結構響應時間約為ns到μs量級。人工微結構由于具有深亞波長的特性，能夠縮小吸收結構的尺度，降低熱從吸收結構擴散到熱釋電材料的時間，從而加快器件的響應。

對于短波與中波波段的熱釋電探測器，近期的研究工作通過引入隨機分布的結構以及周期性的金屬-介質-金屬陣列結構已經實現了良好的超構表面集成。Jon W. Stewart等使用隨機分布的Ag納米方塊結構制備了超構表面集成的熱釋電探測器（圖9（a）），熱釋電材料為AlN。KaishengZhang等設計了如圖9（b）所示的超構表面鉭酸鋰熱釋電探測器。他們使用金屬-介質-金屬三層結構作為吸收結構，其中頂層金屬為十字陣列結構，實現了在3.16 μm處95%的窄帶高吸收，其半高寬為0.7 μm。Anh Tung Doan等設計并制備了如圖9（c）所示的Al-Al?O?-Al圓柱的吸收結構，同時底層Al作為器件的上電極，其下則為ZnO熱釋電材料。

圖9 超構表面集成的短波及中波熱釋電探測器

在更長的波段上，超構表面結構集成的熱釋電探測器也能夠實現針對氣體吸收的5- 8 μm波段，和長波大氣窗口增強探測。Xiaochao Tan等設計了如圖10（a）所示的一種用于多種氣體檢測的超構表面鉭酸鋰熱釋電探測器。圖10（b）是Kansho Yamamoto等人設計的超構表面光譜選擇性熱釋電探測器，他們使用AlN作為熱釋電材料，并在上電極引入金屬圓孔陣列的結構。Jonathan Y. Suen等設計了如圖10（c）的上電極結構，這種結構同時還作為光吸收層，在長波波段實現共振強吸收。

圖10 超構表面集成的氣體探測與長波熱釋電探測器

總結與展望

傳統的寬譜響應熱敏探測器由于具有相對比較大的輻射熱導，因此也就會具有相對比較大的本底噪聲，最終限制了器件性能的上限。研究表明，窄帶光譜選擇性吸收的熱敏探測器可以突破這一限制。人工微結構材料體系可在亞波長尺度范圍內操控光子，實現光譜選擇性吸收。集成人工微結構超構表面的光譜選擇性熱敏探測器可降低輻射熱導，降低器件的本底噪聲，提升了器件的性能。此外，超構表面的深亞波長特性和強局域效應還能夠減小器件及其支撐結構的質量，從而降低器件熱容，縮短器件的響應時間和增大響應率。對于僅需要在特定波段進行探測的應用，如大氣窗口波段內的探測、氣體紅外傳感等，集成具有光譜選擇性的人工微結構是提高熱敏探測器性能的有效途徑。盡管理論分析表明光譜選擇性熱敏探測器的比探測率能夠達到1011 cm?√Hz/W量級，但現有報導的實際器件性能與理論極限還有很大距離，還有很大的上升空間。目前的相關研究工作依然有限，未來仍需要更加深入地開展相關研究，包括建立與實際更加符合的理論模型以及進行更多與光譜選擇性熱敏探測器相關的實驗，以期達到或接近理論預測的極限。現有的工作所達到的最高性能是基于法布里珀羅腔結構的光譜選擇性熱探測器（圖7（b）），其比探測率達到了10? cm?√Hz/W。如前文所述，盡管超構表面結構相比于法布里珀羅腔結構具有眾多優勢，集成超構表面結構的相關實驗工作尚未充分挖掘其潛力，其性能仍未超過法布里珀羅腔結構的熱敏探測器。因此，未來的工作還應繼續利用好超構表面結構的波長選擇性和結構尺寸深亞波長的特性，借鑒超構表面調控電磁波的相關工作，設計具有更小尺寸和更強局域效應的超構表面結構，集成在熱敏探測器上進一步減小器件的熱容和熱導，實現更高的比探測率。總之，人工微結構微納光子學的發展為研發下一代更高性能的紅外探測器提供了新的機遇。

這項研究獲得國家重點研發計劃項目（2022YFA1404701、2017YFA0205800）、國家自然科學基金項目（62075231）和上海市科委項目（20JC1414603）的資助和支持。