纳米结构上的彩虹

加州理工学院的工程师们首次开发出一种结合了两种不同技术集成的光探测器，可以实现光在纳米尺度上的操控，热电元件可把温度的差异直接转换利用电学上的电压来区分，从而以一种高分辨率区分不同波长（颜色）的光，包括可见光和红外线的波长。

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上图所示，艺术家对颜色探测器的概念设计，它使用具有纳米线阵列的热电结构，根据其宽度区分吸收不同波长的光。图片来源，加州理工学院

光探测器，可区分不同颜色的光或热，并可以实现各种应用，包括在卫星上研究地球植被或景观的变化，在医学的成像上，可以根据其颜色变化区分健康和癌细胞。

有关这种新的探测器的研究论文，近日发表在《自然纳米技术》杂志上，比目前可比较的热电装置运行速度快10到100倍，并且能够探测比传统的光探测器更宽范围的电磁光谱。在传统的光探测器中，入射光的光子被吸收到半导体中，激发被探测器捕获的电子。这些光激发电子的运动产生电电流信号，从而实现测量和量化，虽然这种方法也是可以用的，但这种类型的系统很难“看见”红外光，这是由于红外光是由能量较低的光子组成。

由于新的探测器有可能捕捉到传统太阳能材料无法收集的红外波段的阳光和热量，这项技术有望实现更好的太阳能电池和成像设备。

“在纳米光子学领域，我们所研究的光与物质相互作用的物质结构要比光的波长小得多，这也遇到了光极限的限制。在这项工作中，我们将这种属性与热电能量转换的特点相结合，制作了一种新的光电装置，”Harry Atwater说，他是这项研究的通讯作者。Atwater是加州理工大学工程和应用科学学院下应用物理和材料科学专业的教授，并且还是人工光合作用中心的主任。人工光合作用中心是能源部下属的能源创新中心，专注于开发具有成本效益的把阳光、水和二氧化碳转化为燃料的技术。它由加州理工学院直接领导，由伯克利实验室作为主要合作伙伴。

Atwater的团队建立了材料的纳米结构，其宽度约为几百纳米，甚至比光的可见光谱的波长400到700纳米还要小。

研究人员创造了各种宽度的纳米结构，它们吸收不同波长的光。当这些纳米结构吸收光时，它们产生一种电流，其强度与吸收的光波波长相当。

在加州理工学院的Kavli纳米科学研究所制备了这种探测器，结合使用气相沉积法（利用含有丰富原子的雾状气体，在材料表面凝聚一层原子薄膜），以及电子束光刻技术（用聚焦电子束在材料上削减出纳米级图案）该团队创建了亚波长的结构。作者说，这些结构在吸收具有特定波长的光子时产生共振并产生信号，这些合金是由著名的热电性质的合金制造的，但这项研究适用于各种各样的材料。

“这一研究的是纳米光子学和热电这两个研究领域之间的一座桥梁，这两者通常来说不大有交集，但如今两者合作，大有作为，”研究生Kelly Mauser说，他是该研究论文的主要作者。“在这两个领域的交界处有大量未经探索和令人兴奋的应用和研究机会。”

而这项研究的题目是“热电和纳米光子的谐振研究”。

原文来源：https://phys.org/news/2017-06-nanostructures-rainbow.html，实验帮译。

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