近日，中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室胡伟达、陈效双、陆卫课题组在室温纳米线单光子探测器研究中取得进展。该实验室相关研究人员利用纳米线内禀的Photogating效应首次在单根纳米线上实现室温下单个光子的探测。相关成果以“Room-Temperature Single-Photon Detector Based on SingleNanowire”为题发表于国际刊物Nano Letters ( DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01795，影响因子12.08），论文第一作者为博士研究生骆文锦。
单光子探测器依靠其极为灵敏的探测能力来记录单个光子——这一光量子单元，在多领域被广泛应用，如精密分析、生物发光、高能物理、天文测距等，尤其在量子密钥分发系统中不可或缺。单光子探测器尽管已经发展多年并且种类繁多，却依然存在诸多不足。首先，传统单光子探测器的工作条件相对苛刻，比如工作在盖革模式的光电倍增管和雪崩二极管需要数十伏甚至上千伏的驱动电压，而超导单光子探测器则需要几开尔文的极低温环境。其次，大部分单光子探测器依赖于高质量的材料生长，需要分子束外延等设备，器件制备成本高。此外，目前拥有光子数分辨能力的单光子探测器依然屈指可数，而这种可分辨能力对通信技术的诸多协议至关重要。因此，迫切需要研究室温、低成本并同时具有光子数分辨能力的光探测器来满足现代科学和工程诸多领域对单光子探测的需求。
纳米线用于室温单光子探测有什么优势？
半导体纳米线是准一维的量子结构，拥有较大的表面积/体积比，具备特殊的光、电、磁等物理化学性质。近年来，诸多研究工作报导了通过操控纳米线的表面态可以实现纳米线探测器性能的提升。其中，光诱导栅控效应（Photogating effect）被广泛关注。该效应是在准一维的量子结构中比较特殊的一种光电导增益，可以帮助纳米线探测器在室温下获得高响应率。
本工作通过化学气相沉积（CVD）方法生长了“核壳”结构的CdS纳米线。纳米线的“核”层是具有近乎完美晶格质量的单晶，载流子迁移率高，而“壳”层拥有大量“局域化”的表面态。该结构为Photogating效应提供了有力的条件，甚至使得该体系在室温下对单个光子的入射敏感。
什么是Photogating 效应？
Photogating效应可以简单地理解为光生电势调控作用。传统的光导或光伏器件在光照条件下自由载流子浓度上升，电导变大。而对于“核壳”结构的纳米线光晶体管而言，入射的光子不但增加了“核”层的自由载流子数目，而且使得“壳”层的表面态俘获某种光生载流子形成“类浮栅”进一步调控“核”层电导，使得纳米线晶体管可以因为较少的光子辐照产生较大的电流从而获得高光增益。在本实验中，通过给晶体管背栅施加负电压降低了背景载流子浓度，光生电子在“核”层快速迁移，光生空穴被表面态俘获产生类栅极调控作用，实现了单光子分辨的灵敏度。自2014年以来，该课题在基于Photogating的纳米线高增益光电探测方面，已经在国际期刊上发表多篇高引论文，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，（邀请综述）、Small,2017, 13, 1700894以及ACS Nano,2018,12, 7239-7245。
本工作的具体亮点
本工作的亮点在于器件能同时探测到单光子的强度和偏振状态，这将为片上集成的单光子探测器指明方向。除此之外器件还有其他显著特点，如室温工作、光子数可分辨（可分辨1～3）、低工作电压（0.1V）、低暗计数率（1.87×10-3 Hz）、高探测效率（23%）、操作简单、易于制造等。
当前，在量子通讯领域，光子的偏振解码主要依靠单光子探测器前置的偏振分析仪来识别，其后依靠单光子探测器来检测其强度信息。这对于探测器在未来小型化，高度集成化器件研发中是不利的，所以研发出一款同时能识别强度信息与偏振信息的单光子探测器是至关重要的。本工作为室温工作和光子数可分辨单光子探测提供了新思路，预期将给轻量化、片上集成探测应用和量子通讯领域带来一类新的编码解析探测方法。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b01795
室温纳米线单光子探测器结构图及单光子响应直观图
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