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成果介绍
集成内置加密功能的中红外（MIR）光电探测器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，在小型化的外形尺寸内实现高灵敏度、自供电操作和室温下的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2D材料的传统MIR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MIR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、卓越灵敏度、低噪声、室温稳定性，并且与现代半导体平台兼容的MIR光电探测器。除了MIR光子低能量的问题外，许多单层和少层的2D材料尽管具有有前景的电子和光学特性，但由于其原子级厚度，本身的吸收率较低。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。近期在等离激元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：通过利用表面等离激元共振（SPR），这些器件能够有效地将MIR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10
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到10
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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。通过等离激元耦合，金纳米结构能够使MIR波段的光吸收增加超过90%，从而实现1.4到4.2μm波长范围内的广谱检测。热电子的快速生成和转移发生在亚100飞秒的时间尺度内，能有效与载流子的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几十到几百V/W，大大超过了传统MIR光电探测器的性能。此外，通过纳米结构设计调节等离激元响应的能力提供了额外的自由度，允许无缝集成高级功能，如光学加密和逻辑操作。这标志着MIR光电探测的一次范式转变，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。
有鉴于此，国科大杭州高等研究院陈效双教授团队和上海理工大学朱亦鸣教授团队等人
出了一种具有内置加密功能的新型片上超材料增强型近红外光电探测器，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。尽管Ta
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NiSe
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在可见光到MIR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MIR波段的性能仍不理想。我们创新性地采用了一种等离激元元结构，精确设计成非对称配置，并采用数字
间
设计，大幅度增强MIR光吸收和响应度。这种混合配置通过利用等离激元热电子的生成实现自供电操作，其响应度超越了传统探测器一个数量级。此外，该系统通过光电输入输出的战略配合，能够执行逻辑操作，如与（AND）、或（OR）和异或（XOR）操作，提供了一个新的平台，支持在MIR通信通道中进行安全的实时数据加密。通过将该光电探测器集成到光通信网络中，我们成功展示了加密的“HIAS”信息传输，进一步证明了该器件在下一代安全高速度MIR通信系统中的潜力。我们的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。
图文导读
图1.等离激元激发的中红外（MIR）探测器设计。a)Ta
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原子结构和等离激元纳米结构的示意图。b)变材装置的整体结构在MIR辐射下展现出不同的光吸收特性。c)设备架构和尺寸参数的可视化。该光电探测器由Si/SiO
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基底、非对称Au纳米结构、Ta
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光响应材料和h-BN保护层组成。d,e)提出的等离激元纳米结构在不同放大倍率下的扫描电子显微镜（SEM）图像。图e展示了3×3共振单元。比例尺分别为5μm（d），2μm（e）。f)模拟与测量的光谱吸收（蓝线和红线），激光功率设置为200μW。g–i)相同3×3单元格的模拟电学、光学和热学行为。图g展示了电磁场分布，图h展示了空间吸收分布，图i展示了热分布。每种模拟类型（g–i）沿中心线（y=3.75μm）的横截面图示见各面板底部。
图2.等离激元增强的Ta
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NiSe
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中红外（MIR）光响应机制研究。a,c)分别展示了传统热电子和等离激元超热载流子在红外激光激发下的生成过程的能带图和机制图。这里，T
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、T
e1
和T
e2
分别表示声子系统、热电子和超热电子的温度。b,d)分别测量了在4600 nm激光照射下，W/O NS和PNS在0.1 V偏置下的扫描光电流映射。e)激光激发引起的温度分布T(x)、塞贝克系数S(x)、势能梯度ΔV以及当激光光斑位于PNS（左）和GNS（右）中间时沿通道的电势分布V。f)在4600 nm激光照射下，0 V偏置下AN
S
的扫描光电流映射。g)在f)图中绿色虚线标出的通道中心截面上的光电流分布的线型剖面，展示了光电流的非对称分布。
图3.基于不同结构的Ta
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NiSe
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光电性能。a)在MIR激发下，基于等离激元增强非对称结构的Ta
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NiSe
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器件示意图。b)在0.1 V偏置和100μW入射功率下，不同结构（W/O NS、PNS、GNS和ANS）下的光电流，涵盖从可见光到MIR波段。c)在0.1 V偏置下，PNS和W/O NS在4600 nm波长下的时间分辨光电流，插图为PNS和W/O NS的光学显微图像。d,e)在4600 nm波长下，PNS和W/O NS在0.1 V偏置下的响应速度。f)在4600 nm激光下，四种结构的源漏电压（V
ds
）和入射功率（Pin）对光电流的依赖关系，从I–t曲线中提取。g)在1550 nm和4600 nm激光下，W/O NS和PNS的光电流随入射强度的变化。h)对于V
ds
=0.1 V，W/O NS和PNS的波长依赖响应度和外部量子效率。i)在0.1 V偏置下，不同波长的噪声当量功率和特定探测率的变化。
图4.基于PSPD的MIR OELC表征。a–c)带有混合光电输入的逻辑与（AND）、或（OR）和异或（XNOR）操作系统的示意图。d–f)逻辑与（AND）、或（OR）和异或（XNOR）操作的符号示意图及真值表。g–i)在对应逻辑与（AND）、或（OR）和异或（XNOR）操作的输入序列下，测量到的输出电流的绝对值。
图5.加密的ASCII编码通信与图像传输。a,b)加密/解密光通信系统的设计示意图。展示了如何通过ASCII将“HIAS”字样转换为光信号，信息通过PSPD的XNOR逻辑操作和电信号密钥进行加密/解密，从而实现信息安全和准确传输。c,d)加密图像传输演示。二进制图像“HIAS”被转换成一系列光信号序列，通过XNOR操作用电信号密钥进行加密。在加密传输过程中，只能获得混乱的图像信息，只有通过我们的传感器再次解密才能获取正确的信息。
文献信息
On-Chip Metamaterial-Enhanced Mid-Infrared Photodetectors with Built-In Encryption Features
(Adv. Sci.,2025,DOI:10.1002/advs.202415518)
文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202415518
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海
昂
维
