深圳市二维材料孔雀团队
【National Science Review】高性能二维偏振灵敏光电探测器

       经过物体的反射、折射、吸收和散射等作用,光的偏振特性会发生改变。因此,测量光的偏振信息,可以获得物体表面粗糙度、光泽,薄膜材料光学参数、电导率等信息。那么,如何有效测量光的偏振信息呢?对偏振光的探测通常可基于三种方法,即单一的线偏振探测法、基于Stokes矢量的参数测量法和基于偏振光的干涉法。这三种方法都是通过偏振片和光栅等光学设备的辅助得到光的偏振信息的。目前,无需辅助设备(偏振片、光栅、偏振介质膜等)即可识别偏振信息的探测器仍然稀少。


     针对这一问题,深圳大学微纳光电子学研究院张晗团队采用温度梯度法制备出β相硒化铟(β-InSe)晶体,并在此基础上获得了基于二维β-InSe的高性能偏振敏感光电探测器。文章“High performance polarization sensitive photodetectors on two-dimensional β-InSe”发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。研究者首先采用温度梯度法,制备出p型β-InSe单晶,并用机械剥离法制备出二维层状β-InSe样品。利用角分辨拉曼光谱,研究者分析了二维β-InSe的光学各向异性,发现其平面外和平面内振动模式的拉曼峰强度随激发光偏振角度的变化呈现出明显的周期性变化规律。 


图1   二维β-InSe的结构和表征

(a)β-InSe晶体的正视和俯视图;(b,c) β-InSe的扫描电镜照片;(d) 二维β-InSe的拉曼光谱图;(e)二维β-InSe角分辨拉曼光谱强度图


      随后,研究者制备出基于二维β-InSe的多电极场效应晶体管,并确定其各向异性电荷传输特性。此外,研究者利用理论计算(NEGF-DFT)阐明了β-InSe的各向异性输运特性,即沿zigzag方向电流比沿armchair方向电流大两个数量级。 


图2  二维β-InSe器件的各向异性输运特性

(a) 二维β-InSe的多电极器件结构及输运特性;(b) 二维β-InSe器件沿zigzag和armchair两个方向的电流与偏置电压关系的理论模拟结果


       结合理论计算与实验,研究者证明了二维β-InSe中存在较强的偏振敏感光响应特性。在此基础上制备的基于二维β-InSe的光电探测器的光电流各向异性比可达0.70。此外,通过长时间原位AFM测量和多次重复电性能测试,研究者证实该光电器件具有良好的环境稳定性和工作稳定性。

图3  基于二维β-InSe偏振敏感光电探测器

(a) 二维β-InSe偏振敏感光电探测器件结构和偏振光测量示意图;(b)入射光偏振角度依赖的光电响应特性;

(c) 光电流贡献轨道的俯视图和侧视图,红色箭头表示光的偏振角;(d) 入射光偏振角度依赖的光电流量子输运计算


       综合上述结果可以看出,具有较高各向异性光电响应特性的β-InSe材料在无滤光片偏振敏感型光电探测器中具有巨大的应用潜力。该研究获得了国家重点研究开发项目、国家自然科学基金、广东省杰出青年科学基金、广东省教育厅创新团队项目、深圳市科技创新委员会、吉林省教育厅科研基金的资助。


【文章链接】

High performance polarization sensitive photodetectors on two-dimensional β-InSe

Zhinan Guo1 , Rui Cao1,Huide Wang1, Xi Zhang, Fanxu Meng , Xue Chen , Siyan Gao, David K. Sang , Thi Huong Nguyen , Anh Tuan Duong , Jinlai Zhao , Yu-Jia Zeng , Sunglae Cho , Bing Zhao, Ping-Heng Tan , Han Zhang1,Dianyuan Fan

National Science Review, 2021-05-31

https://doi.org/10.1093/nsr/nwab098