上海技物所在超构红外偏振探测器方面获进展-感算商城

光的偏振是的光学科学和技术中至关重要的基本属性，偏振探测能够提供强度与波长之外的另一维度信息，广泛应用于遥感、生物医学诊断、光通信和材料表征等领域。传统偏振探测器依赖外部偏振片和波片，导致系统体积庞大、结构复杂。近年来，研究者提出用平面光学元件或无滤光片的紧凑型偏振探测器替代传统偏振光学结构。然而，现有无滤光片探测器在实现高偏振消光比的同时，往往难以兼顾高灵敏度、宽波长响应与结构简洁性，成为制约其实用化的关键瓶颈。

近日，中国科学院上海技术物理研究所陈效双、周靖研究员的研究团队提出了一种基于黑磷（BP）的超紧凑红外偏振探测器，利用其本征各向异性光门控效应实现高分辨红外偏振探测。通过构建部分由SiO₂支撑（存在陷阱态）和部分由六方氮化硼（hBN）支撑（近乎无陷阱态）的黑磷薄片，实现了偏振依赖的能带分布调制。该探测器在近红外至中红外波段实现了接近无限的偏振消光比（PER），并具有高比探测率。此外，该探测器在黑体辐射下也能实现接近无限的偏振消光比，且响应速度快（达到微秒级）。这项研究成果为高性能超紧凑偏振光探测器的发展提供了新思路。这项研究以“High discrimination infrared polarimetry via intrinsic anisotropic photogating in black phosphorus meta-polarization detectors”为题发表在Nature Communications期刊上。

超构偏振探测器结构如图1a所示，黑磷薄片部分置于SiO₂上，部分置于hBN上，形成异质支撑结构。图1b至图1d通过能带图与载流子分布揭示了本征各向异性光门控效应诱导的能带调控机制。图1e至图1f实验与模拟结果一致表明，不同偏振光在特定栅压下可使光电流极性反转，实现接近无限的偏振消光比。

图1 超构偏振探测器的结构及工作原理

超构偏振探测器的材料及电学性能表征结果如图2所示。结果表明，在黑磷/SiO₂和黑磷/hBN之间形成了平面内p-p⁻型同质结。接着，研究人员对该超构偏振探测器在近红外至中红外波段的偏振探测性能进行了表征，相关结果如图3所示。结果表明，该超构偏振探测器在偏振消光比、响应度的各方面均优于已报道的红外偏振探测器。

图2 超构偏振探测器的材料及电学特性表征

图3 超构偏振探测器的偏振分辨、噪声及响应特性表征

对黑体辐射光响应的表征是实际应用的红外探测器的关键测试。因此，研究人员对该超构偏振探测器在黑体辐射下的偏振探测能力及成像能力进行了测试，相关实验装置及结果如图4所示。

图4 黑体辐射下的光电特性表征及偏振成像

最后，研究人员对超构偏振探测器的自供电光响应速度进行了测试，相关结果如图5所示。结果显示，尽管该器件依赖光门控效应，但光电流产生源于同质结内建场，而非能带分布的实时调制，使其在保持高增益的同时，实现了远超传统光栅型光电晶体管的响应速度。

图5 超构偏振探测器的自供电光响应速度表征

综上所述，这项研究通过利用黑磷的本征各向异性光门控效应诱导能带调控的光电机制，成功构建了一种高性能超紧凑的黑磷超构偏振探测器。该探测器在近红外至中红外波段实现了接近无限的偏振消光比，并且在黑体辐射下也能保持高分辨偏振探测能力。此外，该探测器的响应时间可达微秒级，展现出优异的性能。这项成果不仅揭示了一种基本的光电调控机制，更为开发理想的紧凑型偏振光探测器提供了切实可行的技术路径，在红外成像、遥感探测与集成光电子等领域具有重要应用前景。