Nano Lett. | 自供电无滤波的片上全斯托克斯矢量探测器

通讯作者：李德慧，华中科技大学

作者：Chen Fang, Junze Li, Boxuan Zhou, Dehui Li*

光的偏振在天文、遥感、医学诊断、光通信等诸多领域有着重要的应用，迄今为止对偏振探测器的研究也取得了相当大的进展。但是传统的偏振探测器往往包含庞大的光学系统，不利于偏振探测的集成化发展。近年来所开发的基于超表面的偏振探测器虽然能够使尺寸大幅缩小，但是这类器件结构十分复杂且难以加工，额外的超表面偏振滤波层也会造成光能量的损失。因此，亟需开发出结构简单、易于集成的新型无滤波层全斯托克斯矢量探测器。

近日，华中科技大学李德慧教授在Nano Letters上发表了基于二维材料范德华同质结的全斯托克斯矢量探测器。通过将MoS₂的面内/外各向异性与内建电场增强的圆偏振光致电流效应（CPGE）结合，并构建合理的测量/计算模型，该器件成功实现了全斯托克斯矢量的探测，具有较高的探测精度。

该偏振器由单层/少层MoS₂范德华同质结所组成（图1a）。能带信息表明，单层MoS₂的价带空穴会转移到少层MoS₂，而电子的转移可以忽略。同质结区域的荧光淬灭（图1b,d）也能证明结区存在着较强的电荷转移。

图1. MoS₂范德华同质结器件结构与材料表征。

偏振态可由四个斯托克斯参数[S₀, S₁, S₂, S₃]表征，其中S₃与圆偏振成份有关，S₁, S₂与线偏成份相关。研究者利用MoS₂材料的CPGE来探测入射光的圆偏成份，进而提取参数S₃。但是单层MoS₂的CPGE较弱，导致S₃的测量误差较大。为解决这一问题，研究者选用MoS₂同质结器件来探测圆偏振成分。在同质结内建电场的作用下空穴会发生转移（图2e），进而避免自旋电子电流与空穴电流的相互抵消，大幅增强CPGE。如图2c所示，与单层器件相比，MoS₂同质结器件的CPGE得到了显著增强（图2c, d）。研究者进一步利用MoS₂在面内与面外方向的结构各向异性实现线偏成份的探测（图2f）。为实现全斯托克斯矢量的测量，需要结合上述器件的线偏振各向异性与CPGE，构建合适的数学分析模型。首先需要提取器件的校准参数（图3a），并通过旋转器件五次获取五组光电流（图3b, c），最终导出入射光的斯托克斯矢量。图3d为该偏振器对11组不同偏振的入射光的探测结果，与理论预期十分吻合（图3e）。研究发现S3的测量误差要高于S₁和S₂（图3e），主要归因于器件的圆偏探测能力有限。当入射光功率降低，测量误差也会相应的增大（图3f）。

图2. 测量系统与器件的偏振响应。

图3. 器件全斯托克斯参数探测结果。

最后研究者评估了该器件的基本光电探测性能（图4），在670nm波长共振激发下，响应度为0.26AW^-1，响应时间约为40 ms，1探测率为4.8*10¹⁰ Jones，器件各方面性能与二维材料光电探测器相当最后研究者评估了该器件的基本光电探测性能（图4），在670nm波长共振激发下，响应度为0.26AW^-1，响应时间约为40 ms，1探测率为4.8*10¹⁰ Jones，器件各方面性能与二维材料光电探测器相当。

图4. 器件的光电性能表征。

本研究利用MoS₂同质结设计了一种无需额外滤波层的自供电全斯托克斯矢量探测器，该器件可以在自供电的条件下工作，并且具有较高的集成度。更为重要的是，该设计理念也适用于其它同时具备线偏振与圆偏振分辨能力的材料。因此通过进一步优化器件结构或有源层材料，可以进一步提升该全斯托克斯矢量探测器的性能。

相关论文发表在Nano Letters上，华中科技大学博士研究生方晨为文章的第一作者，李德慧教授为通讯作者。

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Nano Lett. 2021, ASAP

Publication Date: July 19, 2021

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01729 

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