麥姆斯咨詢獲悉，近日，深圳技術大學工程物理學院李佳教授團隊聯合西北大學物理學院焦楊副教授及美國賓夕法尼亞州立大學CEARL團隊，在光學領域國際權威期刊《ACS Photonics》發表重要研究成果：基于超構表面與有機光電二極管全集成架構的偏振光探測器芯片（Polarization-Sensitive Photodetectors Enabled by Plasmonic Metasurface Integrated Organic Photodiodes）。該成果創新性地將表面等離激元超構表面（Plasmonic Metasurfaces）與有機光電二極管相互集成，協同利用超構表面對不同光場偏振態的電磁響應特性與有機異質結光電二極管優異的光電轉化性能，突破傳統光電探測器只能探測光場強度的限制，在芯片尺度上實現全集成、高精度、超薄、超輕量、低成本、柔性的光場偏振態探測器。
傳統光電探測的局限與突破
光電探測器能將光信號轉換成電信號，在現代信息技術中起著舉足輕重的作用。傳統光電探測器依賴半導體光電效應，可以感知收集到的光子數量，從而獲取光場的強度信息。除強度以外，光場還攜帶著包括偏振、相位和波長等多個維度的豐富信息。這些信息可以提供更多關于物體與光相互作用的重要信息。例如，光的偏振態可以用于分析物體的應力、應變、形貌等屬性，在生物醫學成像、無人駕駛、精確導航等領域具有巨大的應用潛力。然而，傳統探測器若想實現對光場多維信息的感知，需要借助額外的光學元件和機械裝置，這導致系統體積較大、結構復雜、操作繁瑣等問題。因此，如何在芯片尺度上實現全集成的光場多維信息探測器成為近年來的研究熱點。
創新設計：表面等離激元超構表面與有機異質結光電二極管的完美融合
表面等離激元（SPP）是光波與金屬表面自由電子集體振蕩耦合形成的電磁模式，其獨特性質使其成為調控光與物質相互作用的理想媒介。表面等離激元的激發依賴入射光的偏振態：TM偏振光可高效耦合至金屬-介質界面，激發表面等離激元的共振并顯著增強光吸收；而TE偏振光因無法滿足相位匹配條件，表面等離激元的激發效率極低。這一特性為高精度偏振分辨提供了物理基礎。
李佳教授團隊創新性地將一維金屬光柵作為表面等離激元的激發平臺，并將其作為電極直接集成于有機異質結光電二極管中，通過“超構-有機界面協同設計”，成功在近紅外波段實現表面等離激元的共振與有機異質結的協同匹配。實驗表明，在表面等離激元的激發下，有機光電探測器TM偏振光響應較TE偏振提升近13倍，線性偏振比（LPR）高達0.8（理論極限為1），達到國際領先水平。
（a）偏振光探測器結構示意圖；圖(b)偏振光探測器的SEM剖面圖；（c）柔性偏振光電探測器實物圖；圖（b-c）偏振光探測器對TM偏振光和TE偏振光的響應度；圖（f）偏振光探測器響應度與入射偏振角度的變化關系。
科學意義與應用前景
該研究通過電磁仿真、光譜學測量與光電探測表征等多維度研究方法，驗證了表面等離激元的共振對光響應的調控機制，揭示了有機光電二極管與表面等離激元超構表面的協同作用規律。尤為引人注目的是，團隊利用有機材料優異的機械柔性，首次實現了柔性偏振探測器的開發。器件在彎曲條件下仍保持優異的偏振響應能力，為可穿戴設備、曲面偏振成像、曲面導航等應用奠定基礎。表面等離激元超構表面與有機光電器件的結合，是物理原理與工程技術的完美碰撞。這種高集成化、超薄、超輕、低成本且柔性的設計，突破了傳統器件的物理限制，是光學傳感領域的重要里程碑。未來，該技術可拓展至相位、波長等多參數同步探測，在自動駕駛激光雷達、醫學偏振成像、柔性電子等領域極具應用潛力。
深圳技術大學工程物理學院為第一完成單位。深圳技術大學-西北大學聯合培養碩士生王煒為第一作者，李佳教授為第一單位通訊作者。本研究獲得了國家自然科學基金、廣東省普通高校重點領域專項、深圳市基礎研究重點項目、深圳技術大學高層次人才科研啟動項目的資助與支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.5c00279
