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在数据网络时代，探测系统正朝着小型化、高集成度和多功能化方向发展。传统的多功能架构往往依赖复杂的信号处理电路，不仅功耗高、维护成本大，还容易出现任务间的信号串扰。尤其在红外波段，由于光子能量低、噪声大，探测系统通常需要额外的光学和制冷组件，限制了其在环境监测、药物安全和材料分析等领域的应用。近年来，研究者尝试通过电场或光场调控器件响应，但这些方法往往依赖强外部电场或复杂的超构表面结构，难以规模化应用。因此，如何在保持低功耗和低串扰的前提下，实现红外探测器的多功能集成，成为亟待解决的关键问题。 据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海技术物理研究所、国科大杭州高等研究院和南昌大学组成的研究团队提出
在数据网络时代，探测系统正朝着小型化、高集成度和多功能化方向发展。传统的多功能架构往往依赖复杂的信号处理电路，不仅功耗高、维护成本大，还容易出现任务间的信号串扰。尤其在红外波段，由于光子能量低、噪声大，探测系统通常需要额外的光学和制冷组件，限制了其在环境监测、药物安全和材料分析等领域的应用。近年来，研究者尝试通过电场或光场调控器件响应，但这些方法往往依赖强外部电场或复杂的超构表面结构，难以规模化应用。因此，如何在保持低功耗和低串扰的前提下，实现红外探测器的多功能集成，成为亟待解决的关键问题。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海技术物理研究所、国科大杭州高等研究院和南昌大学组成的研究团队提出了一种基于三端肖特基结的多功能红外探测器，能够在无外部偏压下，实现边缘成像与痕量气体探测的自由切换。这是一种低功耗、低串扰、可切换的多功能探测方案。多功能性的有效复用归功于三端肖特基结器件的自隔离和低能耗，另外，肖特基结的内置电场有效地阻断了多数载流子，同时促进了少数载流子的传输。这种低功耗、低串扰的多功能架构为下一代多功能集成探测系统提供了一种新方法。这项研究以“Multitask Multiplexed Switchable Infrared Optoelectronic Detection Based on Band Switch”为题发表在ACS Photonics期刊。
图1展示了三端PbSe肖特基探测器的结构示意图及其两种工作模式。模式一（双边肖特基结探测器，BSD）通过非对称电极实现边缘提取，模式二（单边肖特基结探测器，USD）利用石墨烯欧姆接触实现高性能分子探测。
图1 基于三端肖特基结PbSe探测器的示意图和功能描述
随后，研究人员表征了BSD的光电性能，主要包括I–V曲线、I–T响应、光电流分布、功率依赖关系和响应时间，相关结果如图2所示。结果验证了BSD器件在无偏置下的正负响应能力和低串扰特性。
接着，研究人员展示了8×8三端集成阵列在边缘成像中的应用，包括反射成像、热成像和车辆边缘提取，相关结果如图3所示。结果证明了基于BSD的多功能阵列在高帧率、低功耗成像中的优势。
图3 基于BSD的多功能阵列应用于边缘探测
为了打破空间肖特基势垒对称性，研究人员采用狄拉克半金属石墨烯作为接触电极制备了USD，可显著降低热噪声、提高光生载流子收集效率，从而实现室温下高性能中波红外探测。图4表征了USD在中红外波段的探测性能，包括I–V特性、空间响应分布、响应时间、噪声谱、响应度及探测率，验证了其室温下的高灵敏低噪声性能。
为了验证USD在气体分子传感中的应用潜力，研究人员利用NDIR技术构建了可燃烃复合气体传感系统。图5展示了NDIR气体探测系统设置及痕量气体分析结果。该NDIR气体探测系统成功实现对C₂H₂、CH₄、C₂H₆和C₃H₈等气体的痕量探测，最低检测限达ppb级别。
综上所述，这项研究提出了一种室温工作的多功能红外探测结构，具有低噪声和低串扰的特点。该红外探测器基于可切换读出三端肖特基结阵列。这项研究成果为当前提取复杂目标信号的挑战提供一种简单有效的解决方案，并为未来多功能集成器件的设计和制造提供一种可靠的方法。
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c01554
