圓偏振光（CPL）探測器作為光通信、生物成像、量子信息處理及智能傳感等前沿領域的核心器件，其芯片級集成能力已成為當前研究與產業(yè)化應用的關注焦點。這類探測器可精準識別入射光的圓偏振態(tài)，憑借這一特性在復雜環(huán)境中實現高精度目標探測與光信息處理，為多領域高端應用提供核心支撐。然而，現有技術體系存在亟待突破的核心矛盾：材料與結構設計需同時滿足高圓偏振識別率與寬光譜響應范圍，但二者在物理機制上存在固有制衡性，難以同步優(yōu)化。傳統(tǒng)圓偏振光探測器要么在特定波段表現出優(yōu)異的偏振識別性能，卻無法覆蓋可見光至中紅外的寬波段范圍；要么具備寬光譜響應能力，但其圓偏振識別精度顯著衰減。這一技術瓶頸直接制約了這類探測器在動態(tài)光照波動、多波長信號混疊等實際復雜場景中的應用拓展與性能發(fā)揮。
據麥姆斯咨詢報道，近日，南洋理工大學、新加坡國立大學、中山大學和南方科技大學的研究團隊提出了一種基于扭轉堆疊黑磷體系的圓偏振光探測器。通過將扭轉堆疊黑磷作為具有手性響應的人工構筑單元，并在空間設計對稱堆疊的夾層結構，實現了可見光至中紅外的寬波長范圍雙極性圓偏振探測與成像，其峰值響應率可達0.1安培/瓦。該設計從理論和實驗上共同證明了利用扭轉堆疊黑磷體系實現寬光譜圓偏振光探測的可行性，為解決芯片集成圓偏振光探測技術的瓶頸問題提供了新思路。相關研究成果以“Twist-stacked black phosphorus for wide-spectral chiral photodetection”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。
研究團隊提出的解決方案以扭曲堆疊黑磷（b-P）體系為核心，通過材料結構與空間排布的雙重創(chuàng)新突破技術局限。黑磷作為一種層狀半導體材料，其電子特性隨層數變化顯著，且層間旋轉可引入人工手性響應。研究團隊利用這一特性，將多層黑磷以特定角度扭曲堆疊，形成具有手性對稱性的“三明治”結構。這種設計不僅保留了黑磷對不同波長光的吸收能力，還通過層間耦合效應增強了偏振敏感性。圖1展示了這種圓偏振光探測器的設計理念，也說明了其關鍵挑戰(zhàn)。該圓偏振光探測器探測范圍覆蓋紫外至紅外波段，主要通過圓偏振光伏效應誘導的光電流成功將其拓展至圓偏振探測領域。
圖1 圓偏振光探測研究現狀與關鍵挑戰(zhàn)
圖2展示了扭轉堆疊黑磷圓偏振光探測器機理。從技術原理層面分析，扭曲堆疊黑磷的突破性在于實現了材料本征特性與結構工程的協(xié)同調控。單層黑磷的能帶結構具有顯著的厚度依賴性，而層間旋轉角度的引入可進一步調控其電子態(tài)分布，進而誘導形成獨特的手性光子-電子耦合作用。研究團隊通過精準調控堆疊層數與層間旋轉角度，成功構建出兼具寬光譜吸收特性與高效偏振選擇性的功能單元。空間維度上的對稱堆疊構型，能夠保障光信號在材料內部的高效傳輸與探測，有效抑制了傳統(tǒng)結構中因光散射、反射引發(fā)的性能衰減問題。該創(chuàng)新設計為寬光譜手性光探測器件的研發(fā)提供了可重復、可推廣的材料結構設計范式。
圖2 扭轉堆疊黑磷圓偏振光探測器機理
研究人員采用多波長光源對該圓偏振光探測器性能進行了實驗驗證，相關結果如圖3和圖4所示。結果顯示，在可見光波段，圓偏振光探測器可清晰分辨左旋與右旋圓偏振光的強度差異；在紅外波段，圓偏振光探測器響應率雖隨波長增加逐漸下降，但仍保持可探測水平。
圖3 圓偏振光探測器的圓偏振探測性能
圖4 圓偏振光探測器寬光譜特性測試
圖5 圓偏振信息成像演示
https://doi.org/10.1038/s41467-026-68531-z
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