近日，中國科學院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點實驗室胡偉達、陳效雙、陸衛(wèi)課題組在室溫納米線單光子探測器研究中取得進展。該實驗室相關(guān)研究人員利用納米線內(nèi)稟的Photogating效應首次在單根納米線上實現(xiàn)室溫下單個光子的探測。相關(guān)成果以“Room-Temperature Single-Photon Detector Based on SingleNanowire”為題發(fā)表于國際刊物Nano Letters ( DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01795，影響因子12.08），論文第一作者為博士研究生駱文錦。 

　　單光子探測器依靠其極為靈敏的探測能力來記錄單個光子——這一光量子單元，在多領(lǐng)域被廣泛應用，如精密分析、生物發(fā)光、高能物理、天文測距等，尤其在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中不可或缺。單光子探測器盡管已經(jīng)發(fā)展多年并且種類繁多，卻依然存在諸多不足。首先，傳統(tǒng)單光子探測器的工作條件相對苛刻，比如工作在蓋革模式的光電倍增管和雪崩二極管需要數(shù)十伏甚至上千伏的驅(qū)動電壓，而超導單光子探測器則需要幾開爾文的極低溫環(huán)境。其次，大部分單光子探測器依賴于高質(zhì)量的材料生長，需要分子束外延等設(shè)備，器件制備成本高。此外，目前擁有光子數(shù)分辨能力的單光子探測器依然屈指可數(shù)，而這種可分辨能力對通信技術(shù)的諸多協(xié)議至關(guān)重要。因此，迫切需要研究室溫、低成本并同時具有光子數(shù)分辨能力的光探測器來滿足現(xiàn)代科學和工程諸多領(lǐng)域?qū)喂庾犹綔y的需求。 

　　納米線用于室溫單光子探測有什么優(yōu)勢？ 

　　半導體納米線是準一維的量子結(jié)構(gòu)，擁有較大的表面積/體積比，具備特殊的光、電、磁等物理化學性質(zhì)。近年來，諸多研究工作報導了通過操控納米線的表面態(tài)可以實現(xiàn)納米線探測器性能的提升。其中，光誘導柵控效應（Photogating effect）被廣泛關(guān)注。該效應是在準一維的量子結(jié)構(gòu)中比較特殊的一種光電導增益，可以幫助納米線探測器在室溫下獲得高響應率。 

　　本工作通過化學氣相沉積（CVD）方法生長了“核殼”結(jié)構(gòu)的CdS納米線。納米線的“核”層是具有近乎完美晶格質(zhì)量的單晶，載流子遷移率高，而“殼”層擁有大量“局域化”的表面態(tài)。該結(jié)構(gòu)為Photogating效應提供了有力的條件，甚至使得該體系在室溫下對單個光子的入射敏感。 

　　什么是Photogating 效應？ 

　　Photogating效應可以簡單地理解為光生電勢調(diào)控作用。傳統(tǒng)的光導或光伏器件在光照條件下自由載流子濃度上升，電導變大。而對于“核殼”結(jié)構(gòu)的納米線光晶體管而言，入射的光子不但增加了“核”層的自由載流子數(shù)目，而且使得“殼”層的表面態(tài)俘獲某種光生載流子形成“類浮柵”進一步調(diào)控“核”層電導，使得納米線晶體管可以因為較少的光子輻照產(chǎn)生較大的電流從而獲得高光增益。在本實驗中，通過給晶體管背柵施加負電壓降低了背景載流子濃度，光生電子在“核”層快速遷移，光生空穴被表面態(tài)俘獲產(chǎn)生類柵極調(diào)控作用，實現(xiàn)了單光子分辨的靈敏度。自2014年以來，該課題在基于Photogating的納米線高增益光電探測方面，已經(jīng)在國際期刊上發(fā)表多篇高引論文，其中包括ACS Nano,2014, 8, 3628-3635、Advanced materials,2014, 26, 8203-8209、Nano Letters,2016, 16, 6416-6424、Advanced Science,2017, 4, 1700323，（邀請綜述）、Small,2017, 13, 1700894以及ACS Nano,2018,12, 7239-7245。 

　　本工作的具體亮點 

　　本工作的亮點在于器件能同時探測到單光子的強度和偏振狀態(tài)，這將為片上集成的單光子探測器指明方向。除此之外器件還有其他顯著特點，如室溫工作、光子數(shù)可分辨（可分辨1～3）、低工作電壓（0.1V）、低暗計數(shù)率（1.87×10^-3 Hz）、高探測效率（23%）、操作簡單、易于制造等。 

　　當前，在量子通訊領(lǐng)域，光子的偏振解碼主要依靠單光子探測器前置的偏振分析儀來識別，其后依靠單光子探測器來檢測其強度信息。這對于探測器在未來小型化，高度集成化器件研發(fā)中是不利的，所以研發(fā)出一款同時能識別強度信息與偏振信息的單光子探測器是至關(guān)重要的。本工作為室溫工作和光子數(shù)可分辨單光子探測提供了新思路，預期將給輕量化、片上集成探測應用和量子通訊領(lǐng)域帶來一類新的編碼解析探測方法。 

　　文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b01795 

　　室溫納米線單光子探測器結(jié)構(gòu)圖及單光子響應直觀圖