紅外偏振成像光電探測器在軍用和民用領域都發揮著至關重要的作用，涵蓋了夜視、機載監視和環境監測等應用。偏振敏感紅外光電探測器憑借其提供了超越波長和光強度的新探測維度（光偏振態），在成像系統和偏振傳感器中具有廣闊的應用前景。然而，目前大多數偏振敏感光電探測器在可見光波段內工作，在短波紅外（SWIR）波段針對有限響應度（R）和偏振比（PR）仍面臨諸多挑戰。

據麥姆斯咨詢報道，近日，由國防科技大學、華南師范大學和中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所組成的科研團隊在Advanced Functional Materials期刊上，發表了以“Short-Wave Infrared Photodetectors Based on β-In2Se3/Te Heterojunctions for Optical Communication and Polarimetric Imaging Applications”為題的論文。該論文共同第一作者為國防科技大學Jingxian Xiong和Qiang Yu，通訊作者為國防科技大學周樸研究員、吳堅副研究員和華南師范大學霍能杰研究員。

這項研究報道了一種利用垂直異質結β-In?Se?/Te在短波紅外區域實現高性能且偏振敏感的成像傳感器。該器件獲得了出色的響應能力（1310 nm處為2 A/W，1550 nm處為0.71 A/W）和比探測率（1310 nm處為2.14×10? Jones，1550 nm處為7.3×10? Jones），其性能超過了大多數各向異性二維材料的紅外光電探測器。考慮到Te納米片具有強各向異性（如圖1），該器件在1310 nm激光照射下表現出顯著的偏振敏感性能，偏振比（PR）為4.95。這項研究提出了一種多功能光電探測器，可用于ASCII碼傳輸和偏振敏感紅外成像，為紅外通信波段的多功能角分辨光電子器件提供了新機遇。

圖1 采用溶液法合成的Te納米片的原子結構和各向異性表征

研究人員將各向異性的Te納米片與β-In?Se?相堆疊，從而制備垂直異質結器件。在該垂直異質結器件結構中，Te納米片是載流子輸運通道，β-In?Se?層作為光敏頂柵材料置于通道頂部。β-In?Se?/Te異質結器件結構和表征如圖2所示。為了進一步詮釋紅外波段光門控效應（photogating effect）過程，圖2h和圖2i展示了該器件在紅外光照下的響應機理示意圖。

圖2 β-In?Se?/Te異質結的表征與能帶排列

為了探究β-In?Se?/Te器件在短波紅外波段的光電探測性能，研究人員通過施加小偏置電壓測量了不同波長(1310 nm和1550 nm)下的ISD-VSD曲線（如圖3a）。另外，由于Te納米片的窄帶隙結構，β-In?Se?/Te器件具有寬帶光探測能力，相關結果如圖4所示。圖4d展示了本研究的探測器與以往報道的二維光電探測器之間響應能力的比較，本研究器件性能顯著提升。

圖3 β-In?Se?/Te器件在短波紅外波段的光探測特性

圖4 β-In?Se?/Te器件在寬帶范圍內的光響應

憑借Te納米片的強各向異性和Te/β-In?Se?器件出色的光響應特性，該器件在短波紅外光譜進行偏振光電探測和成像贏得了更多機遇。圖5a顯示了角分辨偏振光響應的測量裝置。圖6e展示了偏振成像測試的示意圖。

圖5 β-In?Se?/Te器件的偏振敏感性能

圖6 β-In?Se?/Te器件的偏振敏感光電探測和成像傳感應用

綜上所述，這項研究首先利用角分辨偏振拉曼光譜研究了Te納米片的面內各向異性結構。隨后，在研究人員將Te納米片與β-In?Se?集成后，該異質結器件在偏振敏感光電探測和紅外成像應用中表現出出色的性能。因此，這項研究提出了一種構建低對稱范德華（vdW）異質結的有效策略，實現了高性能的紅外偏振敏感光電探測器，并為角分辨納米光子和光電子應用鋪平道路。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202314972

審核編輯：劉清