徐紅星團隊在輕摻雜矽納米材料中首次觀察到了受限載流子-聲子散射導致的光熱電效應。該工作以“Giant Photothermoelectric Effect in Silicon Nanoribbon Photodetectors”（《矽納米帶光電探測器中的巨大光熱電效應》）為題發表在Light: Science & Applications（《光：科學與應用》）上。武漢大學為第一署名組織，博士生代偉、博士畢業生劉維康為共同第一作者，徐紅星教授與管志强副教授為通訊作者。論文作者還包括武漢大學的劉昌教授和博士生徐超。
光熱電效應（Photothermoelectric effect）是利用光激發納米材料中產生的熱載流子的濃度和溫度梯度來驅動載流子定向運動來產生開路電壓/短路電流光電響應的一種新型光電轉換機制。由於可以利用光生載流子弛豫過程中損失的熱能，提高光電探測器的光響應度和太陽能電池的能量轉化效率，光熱電效應近年來得到廣泛關注。已報導的光熱電效應研究集中在低維資料，如碳納米管、石墨烯、黑磷、III–V族電晶體納米線等。但這些資料較低的光吸收和難以大面積可控的製備，限制了光熱電效應這一新型光電轉換機制在太陽能電池和光電探測器方面的實際應用。
徐紅星課題組通過結合來源豐富、與CMOS工藝相容的矽材料與先進的微納加工技術，首次在矽納米材料中實現了不同於晶格溫度的熱載流子溫度場穩態分佈，結合包含載流子-晶格雙溫度模型的光-熱-電多物理場模型對矽光熱電效應光電響應進行了類比和優化設計，通過歐姆型電極接觸和利用輕摻雜矽納米材料成功實現了基於光熱電效應的高達105V W-1@633 nm的開路光電壓響應，比先前文獻報道光熱電效應光電響應高3-4個數量級，為利用光熱電效應和熱載流子能量提高光電轉換效率的實際應用提供了重要思路。
圖1：矽納米帶光電探測器的結構示意圖及光熱電效應機制和載流子溫度場分佈
圖2：載流子-晶格相互作用時間以及摻雜濃度對光熱電效應的影響、器件優化後測得的光電響應
此外，徐紅星課題組通過結合矽帶狀納米材料與金納米光栅結構，首次實現了具有偏振、波長分辨的等離激元增强光熱電型矽基光電探測器。通過金納米光栅等離激元結構引起矽材料中的共振光吸收進一步提高了器件的光電響應，並且具有波長、偏振等響應敏感性。這一成果早前發表在國際著名刊物Nanoscale上。
以上研究得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金等基金資助。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41377-020-00364-x
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/nr/c8nr10222h