研究背景与意义
超导纳米线单光子探测器（SNSPD）凭借高系统检测效率（SDE>90%）、低暗计数率（<1 cps）、低时序抖动（<100 ps）、高计数率等优势，已成为量子通信、激光雷达、荧光寿命成像、深空光通信等领域的核心技术。然而，传统晶体NbN SNSPD在制备大阵列时易受晶界缺陷影响，均匀性差、成品率低；同时，为实现饱和内部检测效率（IDE≈100%），需极低温（<1 K）运行，依赖昂贵稀释制冷机，严重限制实用化。
非晶超导材料（如WSi、MoSi）因无晶界、均匀性高、易大面积沉积，成为新一代SNSPD理想选择。但WSi Tc低（<5 K），饱和效率需<1 K实现，制冷复杂。MoSi非晶薄膜Tc较高（>4 K）、能隙低、光吸收强，尤其Mo₀.₈Si₀.₂成分兼具高Tc与优异光学特性，被视为突破高温饱和效率瓶颈的关键材料。如何利用Mo₀.₈Si₀.₂实现2 K以上饱和IDE、并扩展至阵列器件，成为SNSPD从实验室向大规模应用转型的重大挑战。
核心突破：Mo₀.₈Si₀.₂阵列SNSPD在2.2 K实现饱和内部效率
南京大学超导电子学研究所张腊宝教授团队，首次报道基于6.5 nm厚Mo₀.₈Si₀.₂非晶薄膜的SNSPD：单像素（50 nm宽、20 μm×20 μm活性区）在75 mK–2.2 K全温区实现接近100%内部检测效率；进一步制备2×2阵列（90 nm宽、40 μm×40 μm活性区）在2.2 K实现饱和光子计数平台，暗计数<10³ cps，克服传统非晶SNSPD<1 K限制。
关键创新
1. 高品质Mo₀.₈Si₀.₂薄膜：Tc=5.2 K（6.5 nm厚）、方阻248.6 Ω/□、高消光系数（k≈5.85@1550 nm）、吸收效率85%。
2. PMMA正性光刻+优化RIE：突破亚50 nm线宽瓶颈，纳米线均匀性<5 nm偏差。
3. Nb₅N₆保护层：原位沉积防止氧化，确保超导稳定性。
4. 阵列均匀性：4像素ISW一致（9–9.5 μA），ISW/Idep≈0.63–0.65，少缺陷。
5. 高温饱和：单像素IDE拟合达100%；阵列2.2 K饱和平台，计数率>10⁵ s⁻¹。
实验验证与极致性能
· 单像素（50 nm宽）：75 mK–2.2 K PCR饱和，IDE≈100%（DCR<1 Hz）。
· 阵列（90 nm宽）：2.2 K各像素饱和平台，最大计数10⁵ s⁻¹，暗计数<10³ cps。
· 吸收优势：Mo富成分消光系数高，FDTD模拟吸收85%（优于文献）。
· 均匀性：阵列ISW偏差小，支持大阵列扩展。
科学意义与应用前景
1. 突破非晶SNSPD高温瓶颈：首次2.2 K阵列饱和效率，摆脱mK级稀释制冷依赖。
2. 大阵列高成品率基础：非晶均匀性+少缺陷，为百千像素成像/多通道探测铺路。
3. 中红外潜力：低能隙+高吸收，预示>5 μm扩展。
4. 实用化加速：兼容G-M制冷机（~2 K），成本降低、系统简化。
5. 广阔应用：
· 量子通信：高效率阵列提升多用户QKD；
· 激光雷达：大面积高计数率深空探测；
· 生物成像：低抖动荧光寿命分析；
· 阵列成像：单光子相机原型。
图文导读
图1：Mo₀.₈Si₀.₂薄膜沉积与器件制备流程
(a) 热氧化硅衬底DC溅射Mo₀.₈Si₀.₂+原位Nb₅N₆。(b–h) PMMA正性光刻+RIE刻蚀实现超窄纳米线。
图2：薄膜特性
(a) 6.5 nm vs 100 nm厚膜电阻率-温度曲线（Tc=5.2 K）。(b) 拟合验证非晶性质。(c) TEM横截面+衍射环（无晶格）。(d) AFM表面粗糙度RMS=0.5 nm。
图3：光学特性
(a) 复折射率（高k值）。(b) FDTD吸收效率85%（优于文献）。
图4：RIE优化
不同刻蚀时间SEM：欠刻、最优、过刻。
图5：纳米线SEM
50 nm宽、200 nm周期、20 μm×20 μm活性区，高均匀性。
图6：探测性能
(a) I-V曲线（75 mK–2.2 K）。(b) PCR vs IB饱和。(c) 单像素IDE≈100%。(d) 4像素阵列2.2 K饱和平台（插图单像素I-V）。
论文信息
成果以“Saturation efficiency for detecting 1550 nm photons with a 2 × 2 array of Mo0.8Si0.2 nanowires at 2.2 K”为题，发表于光子学顶级期刊 Photonics Research。
文献来源
Feiyan Li, Hang Han, Qi Chen, Biao Zhang, Han Bao, Yue Dai, Rui Ge, Shuya Guo, Guanglong He, Yue Fei, Shuchao Yang, Xiaohan Wang, Hao Wang, Xiaoqing Jia, Qingyuan Zhao, Labao Zhang*, Lin Kang, Peiheng Wu. “Saturation efficiency for detecting 1550 nm photons with a 2 × 2 array of Mo0.8Si0.2 nanowires at 2.2 K” Photon. Res. 9(3), 389–394 (2021)
DOI: 10.1364/PRJ.412697