红外探测技术因其在安防、军事侦察、医学检测和工业生产等方面的巨大潜力而受到广泛关注。热释电探测器是一种热探测器，具有制造简单、稳定性高、无需冷却系统和外部偏置等优点。而且，热释电探测器的光电流是由热释电材料的温度波动引起的自发极化强度变化产生的，它不受半导体带隙的限制，因此表现出极宽的响应波段。然而，热释电信号的产生涉及光、热、电之间的能量连续转换，其响应速度相对较慢，通常需要数十至数百毫秒，因而无法满足环境监测、实时成像、动态目标捕获等场景的需求。
2. 响应速度提升
图2. （a）不带有和（b）带有等离激元结构的探测器响应波形；（c）不带有和（d）带有等离激元结构的探测器模拟温度变化分布；（e）两个探测器中AlN层的模拟温度差曲线；（f）探测器中AlN层在不同入射光脉冲下的模拟温度变化率图；（g）热释电探测器的时间分辨率概念示意图；（h）信号上升时间、时间分辨率与入射光脉冲宽度的关系。
图3. 热释电探测器在（a）1100-1800 nm和（b）550-700 nm的响应波形；（c）热释电探测器在550-700 nm和1100-1800 nm的响应率R和比探测率D*。
等离激元效应具有强烈的结构依赖性，规则的等离激元结构通常会导致窄带的谐振频率。然而，研究者设计的非匀质Al纳米颗粒为实现宽带的工作波段提供了可能。如图3所示，结合了非匀质等离激元结构的热释电探测器在近红外（1100-1800 nm）和可见光（550-700 nm）范围内均可实现清晰的响应波形。同时，通过计算探测器的响应率和比探测率发现，探测器在宽带范围内的性能均可维持在较高水平，即使在1800 nm处依旧没有下降的趋势。
研究人员设计并制造了一种热释电探测器，通过与非匀质的等离激元表面相结合，显著加速了光热转换过程，使热释电探测器在近红外范围内的响应速度相较传统器件提高了2-4个数量级。研究人员还在热释电探测领域创新性地引入了时间分辨率的概念，它代表了探测器分辨相邻多个快速移动目标的能力。此外，非匀质的等离激元结构克服了规则等离激元结构的窄带响应限制，实现了从可见光到近红外范围内的宽带响应，这使得热释电探测器原本的优势得以保留。这项研究为开发具有超快和宽带响应的下一代红外热释电探测器提供了一种有潜力的方法。
Lu, Y., Liu, L., Gao, R. et al. Ultrafast near-infrared pyroelectric detector based on inhomogeneous plasmonic metasurface. Light Sci Appl 13, 241 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01572-5
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