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隨著大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。加密光通信是保障數(shù)據(jù)傳輸安全的重要手段，而光電探測器是其中的核心部件。開發(fā)寬帶、高靈敏度光電探測器對于加強光電探測器在安全光通信中的應用至關重要。自驅(qū)動光電探測器利用光伏效應或熱釋光電效應（PPE）在零偏壓下產(chǎn)生光電流，不僅降低了能耗，還提高了器件的集成性和便攜性，特別適合用于加密光通信系統(tǒng)。熱釋光電效應利用光誘導的熱效應產(chǎn)生瞬態(tài)極化電場，從而增強光生載流子的分離和傳輸效率。

近日，哈爾濱工業(yè)大學的研究團隊開發(fā)了一種基于Ga?O?/CdS異質(zhì)結(jié)的自驅(qū)動光電探測器，它利用熱釋光電效應實現(xiàn)了200 nm至1100 nm的寬帶響應，突破了材料本征帶隙的限制。與僅依賴光伏效應的器件相比，該自驅(qū)動光電探測器在所有波長的照明下的響應度和比探測率都顯著提高，在460 nm光照下性能特別提高了536%。此外，利用基于熱釋光電效應的光響應特性構(gòu)建了可編程邏輯門，并在同一器件成功實現(xiàn)了三個邏輯功能——“AND”、“OR”和“XOR”，實現(xiàn)了信息的加密和解碼。這項研究不僅推進了對熱釋光電效應的理論理解和應用范圍，而且為高效、安全的加密光通信提供了一種新的策略。這項研究以“A  programmable logic gate constructed with Ga2O3/CdS self-powered  photodetector based on the pyro-phototronic effect: A new avenue for  achieving secure encrypted optical communication”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊上。

研究團隊采用磁控濺射法制備了基于Ga?O?/CdS異質(zhì)結(jié)的自驅(qū)動光電探測器，該器件制備過程和表征如圖1所示。隨后，研究團隊通過系統(tǒng)性實驗評估了該器件的光電性能，相關結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖1 Ga?O?/CdS異質(zhì)結(jié)自驅(qū)動光電探測器的制備過程和表征

圖2 Ga?O?/CdS異質(zhì)結(jié)自驅(qū)動光電探測器的光響應行為

圖3 Ga?O?/CdS異質(zhì)結(jié)自驅(qū)動光電探測器的光響應行為

隨后，研究人員深入分析了熱釋光電效應在Ga?O?/CdS異質(zhì)結(jié)自驅(qū)動光電探測器的產(chǎn)生和增強機制，相關結(jié)果如圖4所示。

圖4 Ga?O?/CdS異質(zhì)結(jié)自驅(qū)動光電探測器熱釋光電效應的產(chǎn)生和增強機制

最后，研究人員利用Ga?O?/CdS異質(zhì)結(jié)自驅(qū)動光電探測器的多波段響應特性，構(gòu)建了可編程邏輯門，用于光電信號的邏輯運算和加密處理，相關結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 Ga?O?/CdS異質(zhì)結(jié)自驅(qū)動光電探測器光邏輯門的實現(xiàn)及其在光加密通信中的應用

圖6 解碼光響應信息的應用示意圖

綜上所述，這項研究成功開發(fā)了一種基于Ga?O?/CdS異質(zhì)結(jié)的自驅(qū)動光電探測器，利用熱釋光電效應實現(xiàn)了200 nm至1100 nm的寬帶響應，顯著突破了材料帶隙限制。該光電探測器在多波段探測、邏輯運算和加密通信中表現(xiàn)出色，驗證了其在安全通信、物聯(lián)網(wǎng)和便攜式設備中的潛力。這項研究成果展示了熱釋光電效應在光電探測和信號處理領域的巨大潛力，為開發(fā)高效、寬帶和自驅(qū)動的光電集成系統(tǒng)提供了新思路。未來通過優(yōu)化制備工藝和材料穩(wěn)定性，該技術有望推動下一代光通信技術的商業(yè)化。