专栏名称: 研之成理

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南洋理工大学，Nature Nanotechnology！

研之成理 · 公众号 · · 2024-02-27 14:32

正文

▲ 第一作者：Fakun Wang

通讯作者：Qi Jie Wang

通讯单位：新加坡南洋理工大学

DOI：10.1038/s41565-023-01593-y

研究背景

携带多维光学信息（包括但不限于偏振、强度和波长）的光场对于环境监测、热成像、医疗诊断和自由空间通信等众多应用至关重要。同时获取这些多维信息可为了解复杂环境提供全面的见解，但这仍是一项挑战。

研究问题

本研究展示了一种基于零偏压双扭曲黑砷磷（black arsenic–phosphorus ， b-AsP ）同质结的多维光学信息检测设备，其光响应由光热电效应主导。通过使用双极性和相位偏移偏振光响应，该装置可在中红外范围内工作，通过直接测量双扭曲黑砷磷同质结中的光电流，同时检测偏振角和入射强度信息。该器件的响应性使其能够检索通常难以获得的波长信息。此外，该器件还具有电可调偏振光响应，能够在低强度光照射下精确区分偏振角。这些演示为同时检测多维光学信息提供了一种前景广阔的方法，显示了多种光子应用的潜力。

图1|基于双扭曲 b-AsP 同结的中红外偏振光电探测器的器件配置和工作原理。

要点：

1.图 1a 是本研究设计的多维中红外光热电探测器的器件原理图。该器件由双扭曲 b-AsP 同质结组成，其中左侧 b-AsP (L-AsP) 和右侧 b-AsP (R-AsP) 与中间 b-AsP (M-AsP) 相比分别扭曲了 45° 和 135°。装置中 L-AsP、M-AsP 和 R-AsP 的扶手结构（AC）方向分别用蓝色、红色和绿色箭头标出。请注意，R/M-AsP 和 L/M-AsP 分别称为同质结-1（HJ-1）和同质结-2（HJ-2）。b-AsP 的各向异性结构（图 1a，下部）和窄带隙（ ∼ 0.2 eV）在中红外区域提供了明显的各向异性光吸收。

2.该装置的工作原理如图 1b 所示。在 θ = 0° 的均匀光照下，入射光的偏振方向与 M-AsP 的交流方向平行。如图 1c 上部所示，M-AsP 的光吸收强于 L-AsP 和 R-AsP，这是由于其固有的各向异性，光热效应使 M-AsP 的温度更高，载流子浓度（p 型 b-AsP 的空穴）更大。在这种情况下，温度梯度和载流子浓度梯度推动空穴从 M-AsP 扩散到 L-AsP 和 R-AsP，从而在 HJ-1 和 HJ-2 中形成从源极（S）到漏极（D）的正向光电流（I _DS,1 > 0，I _DS,2 > 0）。当 θ = 45° 时，入射光的偏振方向平行于 L-AsP 的交流方向，垂直于 R-AsP 的交流方向。光吸收（与温度和载流子浓度相对应）呈现出 L-AsP > M-AsP > R-AsP 的趋势，这导致载流子在 HJ-2 中从 L-AsP 扩散到 M-AsP （I _DS,2 < 0），在 HJ-1 中从 M-AsP 扩散到 R-AsP（I _DS,1 > 0）。同样，在 θ = 90°（I _DS,1 < 0，I _DS,2 < 0）时，光激发载流子的扩散方向与 θ = 0°相反，如图 1c 底部所示。 θ=135°时，I _DS,1 < 0，I _DS,2 > 0，与θ=45°时相反。

3.图 1d 显示了不同偏振角下双扭曲 b-AsP 同质结中的 I _DS,1 和 I _DS,2 的二维预测图。从封闭曲线图中可以明确地确定在一定入射强度（P）下的偏振角。值得注意的是，光电流的符号取决于偏振角，而光电流的值则由偏振角和入射光强决定。因此，封闭曲线会随着入射强度的增加而扩大。因此，利用双扭曲 b-AsP 同质结可以同时检测未知线性偏振中红外光的偏振角和入射强度。

图2| 利用双扭曲 b-AsP 同质结同时检测偏振角和入射光强度

要点：

1.如图 2a 所示，使用机械剥离的 b-AsP 片制作了一个典型的器件（器件 1）。这些 b-AsP 片的厚度被确定为 120 nm。三个 b-AsP 薄片的交流取向是通过偏振拉曼光谱测定的。图 2b 显示了三个 b-AsP 薄片的A ² _g /A ¹ _g 的提取强度比，其中最大比值对应于 b-AsP 的交流取向。显然，M-AsP 与 L-AsP（R-AsP）之间的扭转角可以确定为 ∼ 45° （ ∼ 135°）。此外，如图 2c所示，厚度为 ∼ 126 nm 的 b-AsP 在中红外区域表现出显著的各向异性光吸收。沿 AC 方向的吸收率大约是人字形 (ZZ) 方向的两倍，这与之前的报告一致。

2.在确定了器件的晶体取向和光吸收特性后，本研究进一步展示了它们的光响应特性。请注意，所有器件都由厚厚的六方氮化硼片封装，以防止在空气中氧化。入射光的初始偏振角（θ = 0°）沿 M-AsP 的交流方向固定不变。图 2d、e 分别显示了 HJ-1 和 HJ-2 在入射强度为 28.7 W cm ^-2 的 3.7 μm 激光照射下的典型 I _DS -V _DS 特性，其中 0°和 90°指的是入射光的偏振角。

图3| 双扭曲 b-AsP 同结的波长偏振探测。

要点：

1.在外部偏压为零（V _DS = 0 V）的条件下，对器件 1 随波长变化的光响应进行了评估。如图 3a 所示，在波长为 3.7、4.6 和 5.7 μm，固定偏振角为 θ = 0° 的光照下，器件显示出稳定且可重复的光开关响应。

2.图 3b显示了不同光照波长下 HJ-1 和 HJ-2 光电流的入射强度依赖性。在测量的强度范围内，HJ-1 和 HJ-2 的光电流呈线性关系（I _DS ∝ P ¹ ）。响应率（R）的计算公式为 R = I _DS /（P×A），其中 A 是同质结的有效面积（A _HJ-1 ≈ A _HJ-2 ≈ 105 μm ² ）。在不同的入射强度下，双均相结的响应率大致保持不变，但随着波长的减小而增加，在 3.7 μm 和 θ = 0° 时，HJ-1 和 HJ-2 的响应率分别接近 45.6 mA W ^-1 和 41.2 mA W ^-1 （图 3c）。响应度与波长的关系可归因于 b-AsP 对较短波长的较强光吸收。

3.如图 3d 所示，当波长为 3.7、4.6 和 5.7 μm 时，器件的检测率分别可达 ∼ 1.2 × 10 ⁹ 、 ∼ 7 × 10 ⁸ 和 ∼ 4 × 10 ⁸ cm-Hz ^0.5 W ^-1 。此外，响应速度被评估为 ∼ 20 μs，与之前报道的以光热电效应为主的黑磷均相结光电探测器的响应速度相当。

图4| 双扭曲 b-AsP 同结的电可调偏振探测

要点：

1.本研究展示了一种改善偏振光响应的电调谐方法，这种方法可能有助于在入射强度较低的情况下更准确地辨别偏振角。该器件在更负的栅极电压（V _GS ）下表现出更好的导电性，表明实现了更高的空穴浓度。在强度为 1.9 W cm ^-2 和 V _DS = 0 V 的 3.7 μm 激光照射下，如图 4a、b 所示，在更负的 V _GS 下，HJ-1 和 HJ-2 都观察到了增强的光响应。在偏振角为 0° 和 90° 时，HJ-1 的栅极相关光电流显示，与 V _GS = 0 V 时相比，V _GS = -40 V 时的光电流增强了近四倍（图 4c）。

图5| 多维光学信息成像演示

要点：

1.本研究展示了在成像应用中同时检测偏振角和入射光强度以获取多维信息的双扭曲 b-AsP 同源结的实际应用。如图 5a 所示，本研究建立了一个简单的成像装置。用切割出字母 “N”、“T”和“U”的金属掩膜来创建三个具有不同辐射强度和偏振角的近红外物体。波长为 5.7 μm 的近红外激光源通过金属掩膜照射到设备上，掩膜可以在 x 和 y 方向上移动。“N”、“T”和“U”的辐射强度分别设置为 2.8、14.4 和 34.1 W cm ^-2 ，相应的偏振角分别设置为 45°、90° 和 135°。

2. HJ-1 和 HJ-2 的光电流测量结果分别如图 5b 和 c 所示，其中 “N”、“T”和“U”三个字母清晰可辨。根据上述数据处理方法，同时获得了“N”、“T”和“U”物体的强度和偏振角，分别如图 5d,e 所示。重建的强度和偏振角与预设的实验条件完全一致，这表明本研究开发的设备在多维光学信息成像应用方面具有巨大潜力。

总结与展望

本研究设计并制造出了一种基于双扭曲 b-AsP 同质结的多维光信息探测装置。具体来说，通过测量双扭曲 b-AsP 同质结的光电流，可以直接同时检测中红外光的偏振角和入射密度，还可以通过提取同质结的响应率获得波长信息。本研究的器件具有基于光热电效应的零偏置工作机制，可在室温下工作，并具有双极性偏振光响应，这对于具有低功耗、非制冷工作和多样化功能的下一代探测器来说是非常理想的。本研究开发了中红外探测器作为示范实例。此外，偏振光响应性能可通过栅极电场进行调整，从而在低入射强度下实现更精确的偏振角分辨。有了这些特点，本研究的设备就有可能用于新兴的红外技术，如偏振成像、环境监测和自由空间通信。

南洋理工大学，Nature Nanotechnology！

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