CdTe层厚度对低温多模式光学测温性能的影响机制研究

针对传统接触式测温在低温环境下的局限性，俄罗斯研究团队通过调控ZnTe/CdTe纳米结构中CdTe层厚度（1-8 ML），开发了基于LIR（发光强度比）、光谱位移、带宽及能隙（Eg ）的多模式光学测温技术。最佳热灵敏度达9.8% K?1 @20K，温度分辨率低至0.2K，为量子计算和航天领域提供了高精度非侵入式测温方案。

　　

在探索极端低温世界的征程中，温度测量始终是科学家们面临的核心挑战之一。从量子计算机中微妙量子态的维持，到太空望远镜在宇宙深寒中的稳定运行，精确的温度监测直接决定着这些前沿科技的发展水平。然而，传统接触式温度传感器如热电偶和电阻温度计，在低于123 K的极寒环境中往往表现不佳——它们不仅会引入额外的热干扰，其灵敏度也会随着温度降低而急剧下降。这种困境促使全球研究者将目光投向光学测温技术，这种非接触式方法通过分析材料光学特性随温度的变化来实现精确测温，兼具高空间分辨率和快速响应的优势。

在这一背景下，俄罗斯科学基金会支持的研究团队将注意力转向了II-VI族半导体纳米材料。锌碲化物（ZnTe）和碲化镉（CdTe）这对黄金组合因其独特的光电特性，在太阳能电池和发光器件领域早已大放异彩。更令人振奋的是，这两种材料组成的纳米结构在低温下展现出显著的温度依赖性光学行为。然而，如何通过结构调控优化其测温性能，特别是CdTe层厚度这一关键参数的影响规律，仍是悬而未决的科学问题。发表在《Journal of Luminescence》上的这项研究，首次系统揭示了CdTe层厚度（1-8个单分子层，ML）对ZnTe/CdTe纳米结构多模式光学测温性能的调控机制。

研究团队采用分子束外延（MBE）和原子层沉积（ALD）技术，在GaAs衬底上制备了具有精确层数控制的ZnTe/CdTe纳米结构。通过反射光谱和发光光谱分析，同时监测能隙（E_g
）、发光强度比（LIR）、光谱峰位和带宽四个温度敏感参数。在20-70 K的低温区间内，1 ML CdTe样品展现出最佳热灵敏度（9.8% K^?1
），而2 ML样品则凭借多参数响应特性成为最具实用价值的测温平台。这项突破不仅为极端环境测温提供了新材料体系，更开创性地将半导体能隙这一本征参数引入光学测温领域。

Sample description
研究采用分子束外延在GaAs(100)衬底上生长4 μm ZnTe缓冲层，随后通过原子层沉积精确控制CdTe层厚度（1/2/4/8 ML）。XRD实时监控确保层数精度，构建出界面清晰的量子阱结构。

Reflectance spectra
反射光谱揭示所有样品在20-300 K均表现出温度依赖性干涉条纹。通过微分反射谱确定E_g
，发现其随温度降低呈非线性蓝移，1 ML样品变化幅度最大（ΔE_g
=0.12 eV），证实超薄CdTe层具有更强的量子限制效应。

Conclusions
2 ML CdTe样品凭借LIR（基于LE/HE带强度比）、E_g
、光谱位移（0.15 nm/K）和带宽（0.7 meV/K）的四重响应机制，在保持较高灵敏度（5.2% K^?1
）的同时实现多参数交叉验证，显著提升测温可靠性。首次证实半导体能隙可作为低温光学测温的有效参数，为开发新一代自校准传感器奠定基础。

这项由Evgenii V. Borisov团队完成的研究，通过巧妙的材料设计将半导体纳米结构的本征光学特性转化为精准的温度信号。特别值得注意的是，能隙参数与传统发光参数的协同使用，相当于为温度测量安装了"双重保险"，这对于可靠性要求极高的航天器低温系统和量子比特温度监控具有革命性意义。研究展现的"厚度-性能"调控规律，更为后续开发可定制化光学温度传感器提供了明确的设计指南。当人类向着更寒冷的科学前沿迈进时，这项研究无疑提供了一把打开极寒世界大门的金钥匙。