中红外（MIR）光电探测器集成内置加密功能，为推进分散式网络和紧凑型传感系统的安全通信带来了巨大希望。然而，在微型化尺寸实现高灵敏度、自供电操作和室温可靠性能仍然是一项艰巨的挑战，这主要是由于中红外光吸收的限制和在器件级嵌入加密的复杂性。为了克服基于二维（2D）材料的传统中红外光电探测器的固有限制，需要开发一种新型器件，它不仅能够增强中红外光子吸收，还能够在探测框架内集成先进功能，如芯片级加密和光学逻辑操作。其关键在于开发一种具有更高响应度、高灵敏度、低噪声、室温稳定且与现代半导体平台兼容的中红外光电探测器。
克服这一点需要创新的材料系统和设备架构，突破传统的带隙和吸收限制。近期在等离子体诱导的热电子生成方面取得的进展提供了一条有前景的道路：通过利用表面等离子体共振（SPR），这些器件能够有效地将中红外光子转换为电信号，绕过半导体带隙所带来的传统限制。SPR在纳米结构金属材料中发生，能够将局部电磁场增强10³到10⁵倍，即使对于能量远低于半导体带隙的光子，也能显著增强光吸收。通过等离子体耦合，金纳米结构能够使中红外波段的光吸收增加超过90%，从而实现1.4 μm至4.2 μm波长范围内的广谱探测。热电子的快速生成和转移发生在低于100 fs的时间尺度内，能有效与载流子复合和能量松弛过程竞争，从而最大限度地减少损耗并确保超快响应时间。这种方法使零偏置响应度达到数十到数百V/W，大幅超过传统中红外光电探测器的性能。此外，通过纳米结构设计调节等离子体的响应能力提供了额外的自由度，允许无缝集成如光学加密和逻辑操作等高级功能。这标志着中红外光电探测的范式转变，为下一代红外传感和通信技术提供了高效、快速和安全的器件发展路径。
据麦姆斯咨询报道，近日，由上海理工大学、国科大杭州高等研究院、中国计量大学、深圳大学组成的科研团队提出了一种具有内置加密功能的新型片上超构材料增强型中红外光电探测器，结合了高灵敏度、安全数据处理和逻辑功能，解决了当前系统中的关键限制。这项研究以“On-Chip Metamaterial-Enhanced Mid-Infrared Photodetectors with Built-In Encryption Features”为题发表在Advanced Science期刊上。
尽管Ta₂NiSe₅在可见光到中红外光谱范围内显示出良好的光电探测能力，但由于吸收能力有限和载流子动力学较慢，其在中红外波段的性能仍不理想。这项研究创新性地采用了一种等离子体超构结构（如图1），精确设计成非对称结构并采用数字间设计，大幅增强了中红外光吸收和响应度。研究人员通过有限差分时域（FDTD）模拟研究该等离子体结构的光吸收特性，优化了波长、结构尺寸和偏振角等参数，相关结果如图1f-图1i。
图1 等离子体激发的中红外探测器设计
为了阐明等离子体增强的Ta₂NiSe₅中红外探测器的工作原理，研究人员通过分析其光响应来比较具有等离子体纳米结构（PNS）的器件与传统无纳米结构（W/O NS）的器件。传统热电子结构（W/O NS器件）和等离子体热电子结构（PNS 器件）的光响应机制分别如图2a和图2c所示，PNS与入射中红外辐射产生共振耦合，从而导致金纳米结构附近的强烈近场增强。为了进一步阐明PNS的增强效果和非对称纳米结构（ANS）在光热电（PTE）效应中的作用，研究人员测量了整个器件的激光感应热电电压分布，相关结果如图2e至图2g所示。结果显示，通过等离子体共振增强光吸收以及将吸收的光子能量转化为热能是有助于提高PTE转换效率的关键机制。
图2 等离子体增强的Ta₂NiSe₅中红外光响应机制研究
为了充分展示利用PNS的Ta₂NiSe₅光电探测器在中红外波段的优势，研究人员对不同器件架构和波段的各种光电性能指标进行了全面评估，相关结果如图3所示。
图3 基于不同结构的Ta₂NiSe₅光电性能
利用等离激元增强型自供电光电探测器（PSPD），研究人员提出了一种新颖的可重构光电逻辑计算（OELC）系统（如图4），能够在单个紧凑器件框架内执行六种基本布尔逻辑运算。这种创新系统利用光和电输入的协同调制来动态地重新配置逻辑功能，从而实现实时操作的灵活性。通过将该光电探测器集成到光通信网络中，研究人员成功展示了加密的“HIAS”信息传输（如图5），进一步证明了该器件在下一代安全高速度中红外通信系统中的潜力。
图4 基于PSPD的中红外OELC表征
图5 加密的ASCII编码通信与图像传输
综上所述，这项研究提出了一种新型片上超构材料增强型基于二维Ta₂NiSe₅的光电探测器。该探测器精心设计采用定制的等离子体共振微结构，能够实现纳安培级的自供电光电探测。金十字形谐振器产生等离子体诱导的超热电子，显著增强了对能量远低于带隙的中红外光子吸收能力，同时促进了Ta₂NiSe₅中电子的热化，从而在0.1 V偏压下响应度达到47 mA/W，比此前报道的数值高出一个数量级。此外，通过特定设计的光学和电子输入输出配置，展示了六种可重构光电逻辑运算的实现方式，从而建立实时红外加密通信平台。这项研究不仅为高性能自供电红外光电探测器的进展提供了坚实的解决方案，还为红外光通信系统中高效信息传输的实现铺平了道路。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202415518
