近红外-短波红外波段的响应和探测在信息通信、医学诊疗、感知探测等领域发挥着关键作用，当前的探测技术主要依赖于窄带隙化合物半导体，比如InGaAs、InSb、PbS和 HgCdTe，展现出优异探测性能的同时，他们的成本和环境友好性一直以来也是领域内的瓶颈问题，因此, 寻找替代性的材料一直以来都是这一领域的重点研究方向。近些年来，诸多候选材料涌现出来，比如二维材料（石墨烯、黑磷）、胶体纳米晶（PbS）和一些具有等离子效应的纳米结构。其中，具有等离子效应的纳米结构，因为其结构可设计以及响应波段可调节的特点，备受关注。这类光探测器往往依赖于“热载流子”的激发和提取，来实现对特定光波段的探测，这就需要设计精确的纳米结构，以及构造提取载流子的器件结构。这些特点使得他们对制备工艺有相应的要求，载流子利用率和光响应性能也收到了限制，目前普遍的响应度在几个nA/W到几十mA/W之间。因此，开发低成本制备工艺的纳米结构，提升光探测性能是这类光探测器件的关键。南京理工大学Hengyang Xiang博士，法国索邦大学Zhuoying Chen研究员以及法国巴黎萨克雷大学的Xiaojiao Yuan博士联合设计开发了一种具备低成本潜力的简易光探测器件结构，实现了高效稳定的近红外-短波红外波段的探测，近期以为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》。这一器件主要由铂微米线（Pt MW）和聚吡咯纳米粒子（PPy NPs）组成，其中PPy NPs作为光响应活性材料，具有优异的光热转换性能，能够有效的吸收光子产生非辐射复合的热量，而具有热敏特性的Pt MW对热敏感产生电阻变化的同时也具有电极的功能，在固定的偏压下（e.g. 2V）表现为电流的响应。
图1 基于聚吡咯纳米颗粒（PPy NPs）光热效应的器件结构设计及其优异的光热转换能力验证。 得益于PPy NPs再在近红外-短波红外波段的有效光吸收能力，这一器件从800 nm到2000nm这一宽谱范围内具备有效的光响应性，在1.5 µm这一典型短波红外波长下，最大响应度可达1.3 A/W，达到了InGaAs光探测器的应用水平。另外，这一器件结构的设计，将传统意义上非常慢的热传递过程提升了一百万倍，使得这个器件的响应速度从几秒提升到100微秒级别，为基于光热效应的光探测器件提供了新的思路。这些优异的性能，一方面来自于PPy NPs的光热转换能力，另一方面也来自于Pt MW结构的精巧设计。Pt MW具有微米级别面状的电极结构，增加了对热相应的接触面，更加微小的结构也缩短了热传递的距离，使得热传递能更加快速的完成，实现光-热-电的完整转换。
图2. (a) PPy 聚合反应示意图; (b) PPy-NPs红外特征谱图; (c) PPy-NPs 透射电镜下的形貌图；(d) PPy-NPs吸收谱图.在器件的性能稳定性上，这一器件结构也具有巨大的优势，作为的电极的Pt和作为光活性材料的PPy NPs都具水氧稳定性优势，尤其是PPy NPs，其生物适应性良好，广泛应用于光热诊疗等生物医学领域方面。这意味着，基于PPy NPs的探测器件在稳定性上具有巨大的潜力。在无封装的大气环境测试条件下，这一探测器经历半年之久的水氧暴露之后，其光探测性能仍然没有出现明显的衰减。结合其低成本、绿色环保的优势，我们认为这一新型光电器件具有巨大的应用前景。
图3. (a) PPy-NPs/Pt光探测器器件结构示意图; (b) 器件在典型短波红外波长 (λ = 1.5μm) 下的光响应特性；(c) 器件的响应时间；以及 (d)在不同光强下的响应度（Photoresponsivity in Ω/W or in A/W）.化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chen@chemshow.cn
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