紅外偏振成像光電探測器在軍用和民用領(lǐng)域都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,涵蓋了夜視、機(jī)載監(jiān)視和環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)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(qiáng)度的新探測維度(光偏振態(tài)),在成像系統(tǒng)和偏振傳感器中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,目前大多數(shù)偏振敏感光電探測器在可見光波段內(nèi)工作,在短波紅外(SWIR)波段針對有限響應(yīng)度(R)和偏振比(PR)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢報道,近日,由國防科技大學(xué)、華南師范大學(xué)和中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所組成的科研團(tuán)隊在Advanced Functional Materials期刊上,發(fā)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(xué)Jingxian Xiong和Qiang Yu,通訊作者為國防科技大學(xué)周樸研究員、吳堅副研究員和華南師范大學(xué)霍能杰研究員。
這項研究報道了一種利用垂直異質(zhì)結(jié)β-In?Se?/Te在短波紅外區(qū)域?qū)崿F(xiàn)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(yīng)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(shù)各向異性二維材料的紅外光電探測器??紤]到Te納米片具有強(qiáng)各向異性(如圖1),該器件在1310 nm激光照射下表現(xiàn)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(jī)遇。
圖1 采用溶液法合成的Te納米片的原子結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)器件。在該垂直異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)和表征如圖2所示。為了進(jìn)一步詮釋紅外波段光門控效應(yīng)(photogating effect)過程,圖2h和圖2i展示了該器件在紅外光照下的響應(yīng)機(jī)理示意圖。
圖2 β-In?Se?/Te異質(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu),β-In?Se?/Te器件具有寬帶光探測能力,相關(guān)結(jié)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(yīng)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(nèi)的光響應(yīng)
憑借Te納米片的強(qiáng)各向異性和Te/β-In?Se?器件出色的光響應(yīng)特性,該器件在短波紅外光譜進(jìn)行偏振光電探測和成像贏得了更多機(jī)遇。圖5a顯示了角分辨偏振光響應(yīng)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(yīng)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(nèi)各向異性結(jié)構(gòu)。隨后,在研究人員將Te納米片與β-In?Se?集成后,該異質(zhì)結(jié)器件在偏振敏感光電探測和紅外成像應(yīng)用中表現(xiàn)出出色的性能。因此,這項研究提出了一種構(gòu)建低對稱范德華(vdW)異質(zhì)結(jié)的有效策略,實現(xiàn)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(yīng)用鋪平道路。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1002/adfm.202314972
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:基于垂直異質(zhì)結(jié)的短波紅外光電探測器,助力高性能偏振成像
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