二維（2D）層狀半導體憑借帶隙可調、原子級厚度、機械柔性等優勢，成為新一代紅外探測材料的研究熱點。現有偏振敏感二維探測器大多依賴黑磷、ReSe?等本征各向異性材料，但這類材料普遍存在大氣易氧化、偏振區分度低的問題，已報道的偏振光電流比值多低于2.6，且本征帶隙限制使其難以拓展至短波紅外波段。
據麥姆斯咨詢報道，近日，蘇州大學提出一種通用化技術方案：將等離子體準連續域束縛態（quasi-BIC）超構表面與本征各向同性少層MoTe?相結合，利用結構對稱破缺激發準BIC模式，實現帶隙外短波紅外偏振響應。實驗結果表明，該混合器件在1.72 μm波長下光電流偏振比達3.2，超構表面偏振吸收比可達7，成功突破MoTe?本征帶隙與光學各向同性兩大限制，并完成偏振編碼通信、短波紅外偏振成像兩類應用演示。該策略不依賴材料本征各向異性，為基于二維材料的偏振紅外探測器開辟全新技術路徑。相關研究成果以“A Universal Strategy for Polarization-Sensitive Sub-Bandgap SWIR Photodetectors Enabled by Plasmonic Quasi-Bound States in the Continuum: Demonstration with Isotropic MoTe?”為題發表在ACS Photonics期刊上。
該偏振敏感短波紅外探測器整體采用等離激元超構表面+少層MoTe?垂直集成結構，襯底為300 nm SiO?/p型硅襯底，超構表面由成對金納米棒陣列構成，上方轉移少層MoTe?作為光電轉換層。兩根金納米棒間隙固定，通過調控旋轉角θ打破結構面內對稱性，進而激發準BIC模式，實現偏振選擇性光吸收。入射光經超構表面共振吸收產生高能熱載流子，隨后注入MoTe?層形成可探測光電流。圖1展示了基于等離子體準BIC的少層MoTe?短波紅外偏振光電探測器示意圖及工作原理。
圖1 基于等離子體準BIC的少層MoTe?短波紅外偏振光電探測器的示意圖及工作原理
為系統研究對稱破缺對光響應的影響，研究人員在模擬了旋轉角度、幾何尺寸與準BIC光學特性的關聯規律，相關結果如圖2所示。結果明確了最優結構參數區間，同時驗證了該超構表面具備光譜可調能力，為器件多場景適配提供設計依據。
等離子體超構表面的制備與表征
等離子體超構表面采用電子束光刻（EBL）制備，再通過電子束蒸鍍工藝在超構表面沉積45 nm厚的金層。研究人員對所制備的等離子體超構表面進行了實驗表征，相關結果如圖3所示。
圖3 等離子體超構表面的實驗表征
偏振敏感型短波紅外光電探測器光電性能
該偏振敏感型短波紅外光電探測器采用干法轉移工藝，將少層MoTe?與金電極依次堆疊在SiO?（300 nm）/重摻雜p型硅襯底上的等離子體超構表面之上制備而成。研究人員對該偏振敏感型短波紅外光電探測器的各項光電性能進行了表征，相關結果如圖4和圖5所示。結果顯示該器件各項光電指標表現優異，超快響應速度適配高速光信號探測；空間光電流成像直接佐證了“準BIC共振-熱電子產生-載流子注入”的工作路徑，機理得到完整實驗驗證。
圖4 光電探測器的性能表征
圖5 光電探測器的電學特性表征
偏振編碼通信與短波紅外成像應用
最后，為展示這款偏振敏感型短波紅外光電探測器的潛在應用價值，研究人員進一步探究了其在偏振編碼通信以及短波紅外偏振成像領域的應用效果，相關結果如圖6所示。圖6a展示了該通信系統的示意圖，圖6c展示了偏振成像系統的示意圖。
圖6 偏振編碼通信與短波紅外偏振成像應用
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6c00493
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