OEA丨通过高灵敏度单壁碳纳米管基热释电光电晶体管实现室温宽波段红外探测。
Opto-Electronic Advances论文推荐俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究院（Skoltech）Albert G. Nasibu lin 教授研究团队成功研制出一种可在室温下工作的红外探测器 ，从而摒弃了传统高灵敏度传感器所必需的笨重制冷系统 。该团队通过在热释电铌酸锂晶体的极性面上沉积稀疏的单壁碳纳米管（SWCNT） 网络 ，制备出一种光电晶体管。该器件对宽波段红外光均有响应 ， 其比探测率较同类石墨烯器件高出数个数量级 ， 已接近热探测器的理论极限。
文章 Serebrennikova SI, Kopylova DS, Gladush YG et al. Highly sensitive SWCNT- based pyroelectric phototransistors for broadband room temperature infrared d etecti on. Opto-Electron A dv 9, 260019 (2026).
第一作者： Svetlana I. Serebrennikova
通信作者 ：Albert G. Nasibu lin
研究背景
红外（IR） 光虽然肉眼不可见 ，却是诸多关乎日常生活的技术之基石——从消防员使用的热成像仪、汽车的夜视系统 ，到监测空气质量的气体传感器乃至承载互联网流量的光通信链路， 无不依赖于此 。然而， 最灵敏的红外探测器通常需冷却至极低温度方可工作 ，而配套制冷设备往往体积庞大、能耗可观且造价不菲 ，使得高性能红外传感技术难以应用于众多便携式及低成本场景。
本文亮点
近日 ，俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究院（Skoltech） Albert G. Nasibu lin 教授研究团队成功研发出一种可在常温下工作的高灵敏度探测器。该工作以Highly sensitive SWCNT-based pyroelectric phototransistors for broadband room temperature infrared detection为题发表在Opto-Electronic Advances 2026年第5期。
该器件巧妙融合了两种材料 ，两者优势互补 ：其一是单壁碳纳米管（SWCNT） 网络 ， SWCNT 为直径约 1 nm的中空碳质圆筒 ，其电导率对栅极电压的微小变化极为敏感；其二是铌酸锂（LiN bO3） 晶体 ，这种材料凭借其在宽谱红外波段的优异表现及非线性光学特性 ，早已在光学领域备受推崇。
该器件的核心在于利用铌酸锂的热释电效应。当晶体吸收红外光时，温度会略微升高；这一微小的温变会改变其内部电极化状态，从而产生瞬时电场。在该器件中，此电场充当栅极电压，可调控附着其上的碳纳米管网络的电导率，增幅高达105。实质上，入射光产生的热能被转化为强劲的电信号，使该组件成为热释电光电晶体管。
早期石墨烯基热释电探测器的表现不尽如人意。石墨烯缺乏电子能隙，导致其电导率对栅极电场的响应微乎其微，因而灵敏度受限。相比之下，半导体碳纳米管具备能隙，这正是其电导率大幅波动的关键所在。
在器件制备上 ，研究团队采用改良的气溶胶化学气相沉积（CVD） 法制备高质量且稀疏的 SWCNT 网络； 随后 ，借助一种新颖的毛细管转移技术 ，将这些低于渗流阈值的薄膜转移至 Z 切铌酸锂表面。这种干法转移工艺避免了传统沉积中使用的表面活性剂及污染物 ，从而防止了纳米管电子性能的退化。他们还通过光刻工艺定义了金属电极。制成的探 测 器 可 在 室 温 下 工 作 ， 响 应 波 段 覆 盖 可 见 光 至 9.3 μm ， 比 探 测 率 达1010 cm·Hz1/2/W 量级。这一性能比石墨烯器件高出数个数量级， 已接近非制冷热探测的理论极限。
由于无需低温冷却，该探测器非常适合便携式、低功耗的红外传感应用。潜在应用包括消防与建筑检测热成像、环境监测用非分散式气体传感、制造业质量控制及短距光通信。传统红外相机往往依赖笨重且昂贵的制冷系统，而这款轻量化器件则有望催生手持式热传感器及无人机载探测器，用于精准定位气体泄漏。低成本且无需制冷的红外探测技术将推动热成像仪的普及：既能提升浓烟环境下搜救行动的公共安全水平，亦能实现对工业排放的连续监测。在日常生活中，该技术同样可赋能低成本汽车夜视系统、高能效智能家居传感器，以及高精度非接触式医用温度计。摒弃低温制冷不仅可降低运营成本与能耗，还指向一种更具可持续性与普及性的传感未来。
后续团队工作将聚焦于响应速度的提升。目前，500μm厚铌酸锂基底中的热扩散将响应时间限制在两秒左右；若采用更薄的基底或膜状结构，热响应速度有望大幅提升。研究团队还计划通过保护涂层来稳定器件性能，以减少迟滞现象，提高半导体通道网络的可重复性，并优化其与散热片的热耦合，从而在光束成像中同时提升响应速度与空间分辨率。
图1 电极之间 SWCNT 稀疏网络的原子力显微镜图像； SWCNT 微小束状结构的透射电镜图像； 在LiNBO3 不同极性晶面上对 SWCNT 实施热释电栅控的示意图； 光电流随时间和入射光功率的变化
综合来看 ，基于 SWCNT 的热释电光电晶体管探测率已逼近非制冷热探测器的理论极限。这一成果为新一代紧凑型、宽波段、室温红外传感器的问世铺平了道路 ：此类传感器在灵敏度上可与制冷型探测器相媲美， 同时兼具成本更低、便携性更强的优势 ，有望重塑从环境监测到消费电子等诸多领域。
研究团队简介
斯科尔科沃科学技术研究院 （Skoltech） 纳米材料实验室由 Albert G. Nasibu lin 教授领衔 ， 已跻身该领域的全球顶尖实验室之列 。 其使命在于开展具有高影响力的纳米材料基础与应用研究 ， 并将科研成果转化为创新技术与商业产品 。 实验室拥有独特的跨学科环境 ，汇聚了一支国际化团队 ， 并在国内外协作方面成绩斐然 。 其主要研究方向包括： 纳米材料的气溶胶合成（涵盖 SWCNT 、 石墨烯及金属氧化物纳米线） 及其生长机理研究； 上述纳米材料在透明 、柔性及可拉伸电子器件 、光电子学 、光伏 、光子学 、 纳米复合材料及化学传感等领域的应用。
自 2014 年 6 月 以 来 ， 实 验 室 已 在 Nature Communications 、 Advanced Materials 、 Angewandte Chemie 、 Advanced Science 、 JACS 、 Nano Energy 、 Advanced Functional Materials 、 Nano Letters 、 Journal of Materials Chemistry A 、 Nano Research等期刊上发表逾 150 篇同行评议论文。 团队已提交 20 余项专利申请 ，并成功孵化三家初创企业。
纳米材料实验室团队
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来源：光电期刊
