低對稱性二維材料憑借強面內(nèi)光學各向異性，可實現(xiàn)無需外置偏振元件的本征偏振探測，成為該領(lǐng)域的核心研究方向。然而，單一組分的各向異性材料始終面臨多重性能權(quán)衡。范德華異質(zhì)結(jié)為破解這一困境提供了可行路徑：通過能帶排列形成的內(nèi)建電場可實現(xiàn)零偏下的載流子高效分離，同時不同功能層可實現(xiàn)分工——各向異性層提供偏振選擇能力，高遷移率、強吸收層保障載流子輸運與光電增益，從原理上突破單材料的性能權(quán)衡。然而，如何通過兩種各向異性材料的界面設(shè)計，實現(xiàn)各向異性的協(xié)同增強而非相互抵消，同時保障高效的界面電荷輸運，仍是該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，上海理工大學、中國科學院大學杭州高等研究院?和浙江大學的研究團隊提出一種基于二維硒化鎳鉭（Ta?NiSe?）與紫磷（VP）范德華異質(zhì)結(jié)的高性能偏振敏感光電探測器。研究團隊通過“協(xié)同各向異性工程”設(shè)計思路，結(jié)合兩種低對稱材料的本征面內(nèi)各向異性與Type-I能帶排列的界面調(diào)控效應，在可見光-近紅外波段實現(xiàn)了高響應度、高探測率與高偏振比的自供電光電探測。該研究還進一步驗證了偏振光通信與紅外偏振成像的應用潛力，為低功耗、高集成的偏振光電探測提供了全新的材料設(shè)計與器件架構(gòu)方案。研究成果以“Synergistic Anisotropy Engineering in Ta?NiSe?/Violet Phosphorus Heterostructures for High-Performance Polarization-Sensitive Photodetection”為題發(fā)表在Laser & Photonics Reviews期刊上。
材料特性與器件結(jié)構(gòu)
研究團隊通過機械剝離與干法轉(zhuǎn)移工藝，制備了Ta?NiSe?/VP范德華異質(zhì)結(jié)器件，襯底為帶300 nm氧化層的高阻硅，電極采用Cr/Au結(jié)構(gòu)。兩種材料均具有低對稱的晶體結(jié)構(gòu)。該異質(zhì)結(jié)為典型的Type-I（跨立型）能帶排列，通過界面勢壘實現(xiàn)了出色的暗電流抑制。研究團隊對該器件材料、器件結(jié)構(gòu)進行了表征，如圖1所示。
圖1 Ta?NiSe?/VP范德華異質(zhì)結(jié)光電探測器的性能表征
寬帶光伏性能與品質(zhì)因子
研究團隊在520 nm至1550 nm的寬光譜范圍內(nèi)系統(tǒng)評估了Ta?NiSe?/VP范德華異質(zhì)結(jié)器件的光電性能，相關(guān)測量結(jié)果如圖2所示。得益于強內(nèi)建電場，器件可在零偏壓下高效工作，具備自供電能力；功率依賴特性測試表明，器件具有寬線性動態(tài)范圍，低光強下復合損耗可忽略。與單一組分器件的橫向?qū)Ρ戎庇^體現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)的性能增益：在相同測試條件下，異質(zhì)結(jié)的噪聲等效功率（NEP）較純Ta?NiSe?與純紫磷均有數(shù)倍提升，比探測率相應顯著提高，證明異質(zhì)結(jié)架構(gòu)大幅增強了弱光探測能力。
圖2 Ta?NiSe?/VP光電探測器在可見光至近紅外光照下的光電特性
載流子輸運動力學與光電機制
為闡明高性能背后的微觀機制，研究團隊利用掃描光電流顯微鏡對不同偏壓下的光生載流子空間分布進行了可視化表征，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。偏壓依賴的光電流分布規(guī)律結(jié)合能帶圖可解釋暗電流與光響應的偏壓依賴特性。這一機制解釋了Type-I能帶結(jié)構(gòu)為何能實現(xiàn)高性能探測：盡管Type-I不具備Type-II的空間分離型能帶，但通過界面勢壘對多數(shù)載流子的約束作用，同樣實現(xiàn)了極低的暗電流；同時內(nèi)建電場與外電場的協(xié)同作用保障了光生載流子的高效分離與收集，兼顧了低噪聲與高響應。
圖3 Ta?NiSe?/VP光電探測器的光響應機理
寬帶偏振分辨光電探測
這項研究最核心的創(chuàng)新在于實現(xiàn)了兩種各向異性材料的協(xié)同增強，大幅提升了偏振探測性能，，研究團隊對其進行進行了系統(tǒng)測試，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。
圖4 Ta?NiSe?/VP異質(zhì)結(jié)的偏振敏感光電探測
基于偏探測的光通信與成像應用
基于優(yōu)異的偏振探測性能，研究團隊進一步驗證了器件在兩大場景的應用潛力。在偏振光通信領(lǐng)域，研究人員構(gòu)建了雙通道光邏輯與通信系統(tǒng)，以光的通斷與偏振方向作為兩個輸入維度，實現(xiàn)了硬件級光學“與”邏輯門；在紅外偏振成像領(lǐng)域，研究人員搭建了單點掃描偏振成像系統(tǒng)，對“OECE”字母圖案進行940 nm紅外成像，相關(guān)結(jié)果如圖5所示。
圖5 Ta?NiSe?/VP光電探測器的偏振通信與成像應用
https://doi.org/10.1002/lpor.71409
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