華中科技大學(xué)在偏振光電探測器領(lǐng)域獲新進(jìn)展

圖1. CdSb2Se3Br2/WSe2異質(zhì)結(jié)實現(xiàn)可重構(gòu)的高PR值偏振光探測器

近日，《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)期刊在線刊發(fā)了華中科技大學(xué)材料學(xué)院翟天佑教授和周興教授團(tuán)隊的最新研究成果“亞晶格載流子躍遷實現(xiàn)具有可重構(gòu)極性轉(zhuǎn)換功能的偏振光探測器”(In-Sublattice Carrier Transition Enabled Polarimetric Photodetectors with Reconfigurable Polarity Transition)。材料學(xué)院李東燕和李澤鑫為論文共同第一作者，周興教授和翟天佑教授為論文的共同通訊作者，材料學(xué)院、材料成形與模具技術(shù)全國重點(diǎn)實驗室為第一完成單位及唯一通訊單位。

偏振是除了振幅、頻率和相位以外光的一個重要屬性，它在成像、通信和導(dǎo)航等光學(xué)技術(shù)中至關(guān)重要。偏振成像技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境中精確識別目標(biāo)方面高效且可靠。然而，傳統(tǒng)的偏振計通常需要一系列復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)來獲取和分析偏振信息，這阻礙了偏振計的小型化和超高密度集成。

近年來，具有本征低對稱結(jié)構(gòu)和光學(xué)各向異性的二維材料，如黑磷、二硒化鈀、硒化鍺和碲等，在偏振敏感光電探測器中表現(xiàn)出了巨大的潛力。然而，由于這些器件的偏振比(PR)主要由本征各向異性光吸收引起的，導(dǎo)致大多數(shù)基于二維材料的偏振光電探測器的PR值小于10。此外，通過改變光的偏振來翻轉(zhuǎn)光電流的極性，可以為下一代具有更高分辨率的偏振成像開辟另一種途徑。研究人員已經(jīng)提出了一些策略來實現(xiàn)偏振敏感的光電流翻轉(zhuǎn)，包括在半金屬或熱電材料上附加金屬納米天線和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的柵極可調(diào)節(jié)能帶對齊。超材料依賴于非中心對稱超材料中的二階非線性效應(yīng)來翻轉(zhuǎn)光電流的流動方向。盡管超材料可以實現(xiàn)可重構(gòu)的PR值，但它受限于天線方向的嚴(yán)格設(shè)計和制造復(fù)雜性。異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可調(diào)能帶對齊提供了一種簡化且成本效益高的實現(xiàn)光電逆轉(zhuǎn)的方法，但受到各向異性吸收和光電流調(diào)節(jié)不足的限制。

這項工作提出了一種基于CdSb2Se3Br2/WSe2異質(zhì)結(jié)的偏振光電探測器，通過設(shè)計亞晶格載流子躍遷，實現(xiàn)了可重構(gòu)的高PR值。CdSb2Se3Br2是由交替的CdBr2和Sb2Se3鏈組成的周期性亞晶格結(jié)構(gòu)，其中亞晶格載流子躍遷更傾向于沿著Sb2Se3鏈進(jìn)行。利用CdSb2Se3Br2/WSe2異質(zhì)結(jié)中的亞晶格載流子躍遷，通過改變柵極電壓，可以各向異性地調(diào)節(jié)異質(zhì)結(jié)的能帶對齊。因此，由于各向異性亞晶格載流子躍遷，異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出偏振依賴的光誘導(dǎo)閾值電壓(Vth)漂移。有趣的是，顯著的Vth漂移提供了偏振光伏電流的符號反轉(zhuǎn)和可重構(gòu)的PR值，從正(單極區(qū))到負(fù)(雙極區(qū))，涵蓋所有可能的數(shù)值(1→+∞/-∞→-1)。利用這種各向異性光伏效應(yīng)，我們成功實現(xiàn)了柵極可調(diào)的偏振成像。該研究得到了國家自然科學(xué)基金等項目資助。

審核編輯 黃宇