【资讯】当二维材料遇上等离激元：开启高灵敏红外探测新视野

2026-10-16 18:01:45

红外探测技术广泛应用于**安全、光通信、环境监测和热成像等关键领域。然而，传统红外探测器多依赖体材料体系（如HgCdTe、InGaAs等），存在制备复杂、成本高、难以集成等问题。近年来，具有原子级厚度的二维材料因其可调带隙、高迁移率和柔性特性，被认为是下一代光电器件的重要候选材料。然而，二维材料固有的原子级厚度导致其光吸收效率不足，严重限制了红外探测器的响应度和灵敏度。

       为应对上述挑战，将二维材料与等离激元纳米结构结合是一种有效解决方案（如图1所示）。等离激元纳米结构可以产生自由电子集体振荡，可在纳米尺度上极大增强局域电磁场，并伴随产生等离激元热电子，从而带来两大关键作用：

       （1）近场增强效应：显著提升二维材料对光的吸收能力，达到提升光电检测效率的目的；

       （2）热载流子注入效应：产生高能热电子，并跨越势垒注入二维材料中形成光电流，该机制不仅提高了响应度，更使光电探测不再受限于半导体本征带隙，可将探测光谱范围拓展至红外波段。

图1 等离激元二维红外探测器示意图。（a）等离激元二维红外探测器模型图；（b）近场增强与等离激元热载流子注入协同增强光电响应机制示意图；（c）等离激元/半金属异质结体系中等离激元诱导热载流子的产生及注入过程示意图；（d）等离激元/半导体异质结体系中等离激元诱导热载流子的产生及注入过程示意图

       在等离激元二维红外光电探测器中，等离激元材料捕获和汇聚入射红外光，并通过局域表面等离激元共振产生强近场增强和热载流子，为高效光电转换提供能量来源，其共振波段直接决定器件的工作波长和光响应性能。因此，实现等离激元共振波段的可调控性是拓展红外探测范围、提升探测性能的关键。等离激元共振频率主要由自由载流子浓度决定，可分为贵金属和掺杂半导体两类体系：（1）贵金属（Au、Ag）载流子浓度高达1022-1023 cm-3，响应位于可见至近红外波段（0.8~2 μm），通过调控结构参数可调谐共振波长，但在中远红外波段受欧姆损耗和带间跃迁制约。（2）掺杂半导体载流子浓度（1019~1021 cm-3）较低，共振频率向长波方向移动，可覆盖近红外至远红外波段，且可通过掺杂类型及浓度灵活调控。其中，自掺杂半导体（Cu2-xS、WO3-x等）通过调控空位浓度实现近红外可调响应，而异质掺杂半导体（ITO、AZO等）通过异质原子取代的方式精确调控载流子浓度，实现近红外至中红外的系统性调控。

       二维材料作为光电探测器的沟道材料，承担光生载流子的产生、输运与收集，是实现光信号向电信号高效转换的核心功能层。根据电子结构不同，常用二维沟道材料主要包括二维半金属和二维半导体两大类：（1）石墨烯因其超高迁移率、零带隙及宽带吸收成为理想半金属平台，PtSe2、NiTe2等拓扑半金属亦具优势；（2）MoS2等过渡金属硫族化合物及其异质结结构具有可调带隙和低暗电流，有利于高比探测率；此外，黑磷具有厚度依赖直接带隙，覆盖近红外至中红外波段，也是理想半导体沟道材料之一。

       等离激元纳米结构的精准构筑直接影响红外光电检测器件的界面特性和光电性能。物理制备方法因能避免化学合成中有机配体残留对界面的不利影响而受到青睐，文章重点介绍了四类模板辅助的物理气相沉积策略（如图2所示）：（1）电子束光刻具有超高分辨率和图案设计灵活性，可在二维材料上构筑光响应可调的阵列结构；（2）双光束光刻技术通过光学干涉，可在二维材料表面构筑大面积、高质量的光栅结构；（3）阳极氧化铝模板辅助法利用参数可调的多孔结构作为硬模板，可在二维材料表面制备高度有序、高密度（可达1010 cm-2）的等离激元纳米阵列，经典结构包括纳米团簇、纳米岛、及二聚体、三聚体等复合构型；（4）胶体自组装光刻技术以胶体球自组装单层膜作为模板，是一种低成本、高通量的大面积制备方案，可在二维材料表面构筑纳米三角形和纳米环等阵列。

图2 等离激元纳米结构的精准构筑方法示意图：包括（a-c）电子束光刻、（d-f）双光束光刻、（g-i）阳极氧化铝模板辅助沉积、（j-l）胶体自组装光刻

       如图3所示，等离激元纳米阵列受光激发后发生集体电子振荡并产生局域电磁场增强，继而通过朗道阻尼发生非辐射弛豫（1-100 fs），产生热电子和热空穴，初始载流子呈非热平衡能量分布。随后，电子-电子散射（100 fs-1 ps）使载流子能量趋近Fermi-Dirac分布，电子-声子散射（1-100 ps）使电子与晶格达到热平衡，最终热量经热传导耗散至环境（100 ps-10 ns）。值得注意的是，为实现高效光电转换，必须在热弛豫前提取等离激元热载流子。通过在等离激元材料与电荷接受材料间构建异质界面，热载流子可在飞秒尺度内越过Schottky势垒或通过隧穿注入相邻材料，从而形成可探测的光电流。这种等离激元热载流子的注入效率受界面缺陷、能带排布、晶格失配及弛豫动力学等因素制约，可通过优化界面结构与材料组分，在远短于热弛豫的时间尺度内实现热载流子注入。

图3 等离激元纳米粒子中的光激发和热载流子弛豫过程

       根据沟道材料类型的不同，基于贵金属/二维材料的等离激元红外光电探测器主要可分为贵金属/二维半金属体系和贵金属/二维半导体体系，两类体系依托不同的载流子注入过程实现光电转换。

       在贵金属/半金属异质结体系中，石墨烯沟道具有超高迁移率、宽带吸收和栅压可调性等优势，但其低本征光吸收（单层约2.3%）和皮秒级载流子寿命严重制约器件性能。如图4所示，集成等离激元纳米结构后，借助局域场增强和热载流子注入双重机制，不同构型的贵金属纳米结构可使探测器响应覆盖0.6~2.0 μm的宽谱范围，响应度达mA/W至A/W量级，较无结构器件提升数十至数百倍。

       在贵金属/二维半导体异质结体系中，热载流子注入需克服界面Schottky势垒。通过非对称电极设计、LSP与SPP强耦合效应及等离激元超表面优化，可实现亚带隙红外响应，响应度覆盖mA/W至A/W量级，探测波长拓展至1.0~3.7 μm。

图4 贵金属/石墨烯等离激元二维红外探测器，借助局域场增强与热载流子注入，可实现近红外区域的宽谱响应

       基于贵金属/二维材料的等离激元红外探测器也可实现偏振检测（如图5所示），通过设计各向异性及手性等离激元结构可实现从线偏振到全Stokes参数的片上检测，目前已在石墨烯、PdSe?等体系中实现近红外至中红外波段（4.0~8.0 μm）的偏振探测。

       总体而言，贵金属等离激元在近红外波段展现出了优异的光场局域和热载流子产生能力，结合二维材料，已在近红外及部分中红外波段光探测领域取得显著进展。

图5 贵金属/二维材料等离激元红外偏振探测器，利用各向异性或手性等离激元结构，可实现中红外波段的偏振分辨探测

       相较于传统贵金属纳米结构，掺杂半导体等离激元结构在更长红外波段具有天然优势，其载流子浓度可调，可将等离激元响应拓展至中红外波段。如图6所示，最新研究表明，将掺杂半导体纳米结构（如FeS2纳米晶、ITO纳米颗粒、B掺杂Si量子点、WO2.9及WO3-x纳米阵列、AZO微阵列等）与石墨烯或Bi2O2Se等二维材料集成，可实现在1.1~3.0 μm波段的高灵敏度探测，响应度覆盖mA/W至106 A/W量级，比探测率达107~1013 Jones，响应时间从亚纳秒至毫秒量级可调。其中，自掺杂半导体（WO2.9、WO3-x）兼具超快热电子转移（<150 fs）与较高响应度；外掺杂半导体（ITO、AZO、B:Si）则通过调控掺杂浓度实现探测波长的系统性设计。总体而言，掺杂半导体/二维材料体系突破了贵金属等离激元固有的响应波段限制，通过掺杂类型与浓度的灵活调控，实现了从近红外至中红外乃至更长波长的等离激元共振可编程设计。这一策略有效拓展了探测器的宽谱响应能力，同时显著提升了其灵敏度，为红外探测性能的按需优化提供了新途径。

图6 掺杂半导体/二维材料等离激元二维红外探测器。利用掺杂半导体载流子浓度可调特性，等离激元共振可在近红外至中红外范围编程设计，与二维材料形成异质结后，可实现红外区域宽谱高灵敏的超快光探测

       本综述系统梳理了等离激元/二维红外光电探测器在材料体系、结构精准构筑方法、物理机制和器件性能等方面的研究进展。贵金属凭借强且稳定的等离激元共振，在可见-近红外波段与石墨烯、黑磷、MoS2等二维材料结合，已实现高响应度、超快响应和偏振探测等功能。掺杂半导体则通过载流子浓度调控，将等离激元响应拓展至中远红外波段，弥补了贵金属在长波区域的不足。尽管该领域已取得显著进展，但仍面临一些挑战：例如热电子提取效率仍有待提高；界面调控机制尚不完善；大规模制备与器件集成仍需突破等。未来可从界面工程优化、材料体系创新、器件结构设计以及系统集成等方向持续发力，有望推动该技术在高性能红外探测、柔性电子及片上光电系统中的实际应用。

参考文献： 中国光学期刊网

您好，可以免费咨询技术客服[Moli]

官网 筱晓(上海)光子技术有限公司

欢迎大家给我们留言，私信我们会详细解答，分享产品链接给您。

免责声明：

资讯内容来源于互联网，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如对文、图等版权问题存在异议的，请联系我们将协调给予删除处理。行业资讯仅供参考，不存在竞争的经济利益。