上海光機所在二維材料偏振光電探測器研究方面取得進展

圖1.在平行和交叉偏振拉曼配置下測量ReS2 Ag-like模式的峰值強度與偏振角度的關(guān)系。

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部王俊研究員團隊與中國科學技術(shù)大學合作在二維材料偏振光電探測器研究方面取得進展。相關(guān)研究成果以“High Performance Balanced Linear Polarization Photodetector Based on 2D ReS2”為題發(fā)表于Laser & Photonics Reviews，并被選為當期卷首插圖文章。

偏振敏感光探測對于圖像傳感、環(huán)境監(jiān)測、光譜學、通信和量子信息處理等應用非常重要。傳統(tǒng)的二維材料線偏振光電探測器的研究主要集中在尋找不同的各向異性材料、材料之間的組合、引入等離子體結(jié)構(gòu)以及對二維材料進行圖案化以提高其性能。然而，這些方法對偏振靈敏度的提高有限。

因此，研究人員提出了一種平衡的光電探測器結(jié)構(gòu)，它不需要額外的工藝，只依賴于材料本身的各向異性，從而大大提高了偏振靈敏度。二元ReS2是一種低對稱性過渡金屬硫化物，具有直接帶隙和較強的面內(nèi)各向異性，在空氣中也非常穩(wěn)定。通過制備ReS2光電探測器，對其光學和電學特性分別進行研究。圖1和圖2表示測量的偏振拉曼峰強度和光電流響應極坐標圖。可以看出ReS2具有很強的面內(nèi)光學和電學各向異性。根據(jù)ReS2的各向異性擬合，該光電探測器在650 nm處的線性二向色性比為2.79。

圖1.在平行和交叉偏振拉曼配置下測量ReS2 Ag-like模式的峰值強度與偏振角度的關(guān)系。

圖2的結(jié)果還表明ReS2晶體b軸平行于最大光電流的方向?；诖搜芯咳藛T提出了如圖3所示的平衡光電探測系統(tǒng)。平衡光電探測系統(tǒng)由兩個ReS2光電探測器組成，其中兩個光電探測器ReS2的b軸相互垂直。由于材料b軸平行于最大光電流的方向，兩個b軸相互垂直的光電探測器輸出光電流曲線趨勢相反，通過平衡探測技術(shù)可以得到零點。在零點處由于光電流趨向于零，因此理論上線偏振消光比趨于無窮大。該研究為進一步開發(fā)高性能二維材料偏振光電探測器提供了基礎(chǔ)。

圖2. (a) 在不同柵極電壓下測量的光電流響應極坐標圖。實線表示對實測數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。晶體軸b軸(紅色菱形的一側(cè))平行于最大電流的方向。(b) 在?40 V柵極電壓下，小偏振角步進測量光電流響應。(c),(d) 提取了不同柵極電壓下的偏置角和二向色性比。

圖3. (a)平衡偏振光電探測器原理圖。(b)光電探測器的角度依賴光電流。(c)歸一化電流差的角度依賴性。(d)暗態(tài)時光電探測器的噪聲功率譜。(e)平衡差分模式下的噪聲等效光偏振差。

審核編輯 黃宇