一種利用垂直異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)高性能且偏振敏感的成像傳感器

紅外偏振成像光電探測(cè)器在軍用和民用領(lǐng)域都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，涵蓋了夜視、機(jī)載監(jiān)視和環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。偏振敏感紅外光電探測(cè)器憑借其提供了超越波長(zhǎng)和光強(qiáng)度的新探測(cè)維度（光偏振態(tài)），在成像系統(tǒng)和偏振傳感器中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前大多數(shù)偏振敏感光電探測(cè)器在可見(jiàn)光波段內(nèi)工作，在短波紅外（SWIR）波段針對(duì)有限響應(yīng)度（R）和偏振比（PR）仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由國(guó)防科技大學(xué)、華南師范大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所組成的科研團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials期刊上，發(fā)表了以“Short-Wave Infrared Photodetectors Based on β-In2Se3/Te Heterojunctions for Optical Communication and Polarimetric Imaging Applications”為題的論文。該論文共同第一作者為國(guó)防科技大學(xué)Jingxian Xiong和Qiang Yu，通訊作者為國(guó)防科技大學(xué)周樸研究員、吳堅(jiān)副研究員和華南師范大學(xué)霍能杰研究員。

這項(xiàng)研究報(bào)道了一種利用垂直異質(zhì)結(jié)β-In?Se?/Te在短波紅外區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高性能且偏振敏感的成像傳感器。該器件獲得了出色的響應(yīng)能力（1310 nm處為2 A/W，1550 nm處為0.71 A/W）和比探測(cè)率（1310 nm處為2.14×10? Jones，1550 nm處為7.3×10? Jones），其性能超過(guò)了大多數(shù)各向異性二維材料的紅外光電探測(cè)器。考慮到Te納米片具有強(qiáng)各向異性（如圖1），該器件在1310 nm激光照射下表現(xiàn)出顯著的偏振敏感性能，偏振比（PR）為4.95。這項(xiàng)研究提出了一種多功能光電探測(cè)器，可用于ASCII碼傳輸和偏振敏感紅外成像，為紅外通信波段的多功能角分辨光電子器件提供了新機(jī)遇。

圖1 采用溶液法合成的Te納米片的原子結(jié)構(gòu)和各向異性表征

研究人員將各向異性的Te納米片與β-In?Se?相堆疊，從而制備垂直異質(zhì)結(jié)器件。在該垂直異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)中，Te納米片是載流子輸運(yùn)通道，β-In?Se?層作為光敏頂柵材料置于通道頂部。β-In?Se?/Te異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)和表征如圖2所示。為了進(jìn)一步詮釋紅外波段光門控效應(yīng)（photogating effect）過(guò)程，圖2h和圖2i展示了該器件在紅外光照下的響應(yīng)機(jī)理示意圖。

圖2 β-In?Se?/Te異質(zhì)結(jié)的表征與能帶排列

為了探究β-In?Se?/Te器件在短波紅外波段的光電探測(cè)性能，研究人員通過(guò)施加小偏置電壓測(cè)量了不同波長(zhǎng)(1310 nm和1550 nm)下的ISD-VSD曲線（如圖3a）。另外，由于Te納米片的窄帶隙結(jié)構(gòu)，β-In?Se?/Te器件具有寬帶光探測(cè)能力，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。圖4d展示了本研究的探測(cè)器與以往報(bào)道的二維光電探測(cè)器之間響應(yīng)能力的比較，本研究器件性能顯著提升。

圖3 β-In?Se?/Te器件在短波紅外波段的光探測(cè)特性

圖4 β-In?Se?/Te器件在寬帶范圍內(nèi)的光響應(yīng)

憑借Te納米片的強(qiáng)各向異性和Te/β-In?Se?器件出色的光響應(yīng)特性，該器件在短波紅外光譜進(jìn)行偏振光電探測(cè)和成像贏得了更多機(jī)遇。圖5a顯示了角分辨偏振光響應(yīng)的測(cè)量裝置。圖6e展示了偏振成像測(cè)試的示意圖。

圖5 β-In?Se?/Te器件的偏振敏感性能

圖6 β-In?Se?/Te器件的偏振敏感光電探測(cè)和成像傳感應(yīng)用

綜上所述，這項(xiàng)研究首先利用角分辨偏振拉曼光譜研究了Te納米片的面內(nèi)各向異性結(jié)構(gòu)。隨后，在研究人員將Te納米片與β-In?Se?集成后，該異質(zhì)結(jié)器件在偏振敏感光電探測(cè)和紅外成像應(yīng)用中表現(xiàn)出出色的性能。因此，這項(xiàng)研究提出了一種構(gòu)建低對(duì)稱范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)的有效策略，實(shí)現(xiàn)了高性能的紅外偏振敏感光電探測(cè)器，并為角分辨納米光子和光電子應(yīng)用鋪平道路。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202314972

審核編輯：劉清