自然界光大部分經(jīng)過(guò)大氣散射、折射和反射等過(guò)程，因此多為部分偏振光。偏振是光的一個(gè)重要信息，偏振探測(cè)可以把信息量從三維(光強(qiáng)、光譜和空間)擴(kuò)充到七維(光強(qiáng)、光譜、空間、偏振度、偏振方位角、偏振橢率和旋轉(zhuǎn)的方向)。
任何目標(biāo)在反射和發(fā)射電磁輻射的過(guò)程中都會(huì)表現(xiàn)出由它們自身特性(例如粗糙度、空隙度、含水量、構(gòu)成材料的理化特性等)和光學(xué)基本定律(例如菲涅耳公式)所決定的偏振特性。
低維納米材料也不例外。
二維材料
石墨烯自從2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，開(kāi)辟了二維材料的研究方向與熱潮。十多年來(lái)，各種各樣的二維材料，比如石墨烯、二硫化鉬、黑磷等被各種研究，其中對(duì)光有偏振敏感性的有--石墨烯納米帶、黑磷、黑砷磷、黑磷碳、鍺磷、硫化錸、硒化錸、硫化鍺和硒化鍺等。原則上來(lái)說(shuō)，各向異性的材料都具有偏振光敏感性。
a. 石墨烯納米帶
石墨烯本身對(duì)偏振光沒(méi)有選擇性。2013年IBM研究院的Marcus Freitag和PhaedonAvouris等人報(bào)道了一種條狀石墨烯紅外偏振探測(cè)器。將石墨烯刻蝕成納米帶陣列結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)度30 μm，寬度140 nm)，由于光激發(fā)的等離子體-聲子和電子-空穴在溝道的衰減差異，光電流在納米級(jí)陣列中表現(xiàn)出偏振敏感性。從而10.6 µm的中紅外波段，15的消光比已被取得。
b. 黑磷
黑磷的極化靈敏度來(lái)源于該材料的面內(nèi)光學(xué)各向異性產(chǎn)生的強(qiáng)內(nèi)稟線性二色性，如圖1所示，具有矩形面內(nèi)晶格的層狀黑磷晶體沿著x方向和y方向具有高度各向異性結(jié)構(gòu)，每?jī)尚辛自咏惶娴厣舷抡郫B以形成僅沿著x方向的“扶手椅”幾何形狀，該結(jié)構(gòu)可以輕易探測(cè)平行或垂直于x軸的偏振光的不同吸收。由于單層黑磷的帶隙是0.3 eV，所以理論上黑磷能夠響應(yīng)到4.1 μm波長(zhǎng)的紅外光。目前對(duì)黑磷各向異性的研究工作較多，其中2015年，耶魯大學(xué)王肖沐和夏豐年等人對(duì)黑磷進(jìn)行了x，y，45°偏振光表征，如圖2所示，可以明顯看到黑磷對(duì)x軸紅外偏振光最敏感。
圖1 黑磷原子空間結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 黑磷偏振響應(yīng)圖
同年，斯坦福大學(xué)袁洪濤和崔屹等人將一塊黑磷薄片制作成上下垂直pn結(jié)，有效分離光生載流子，如圖3所示，同時(shí)制作一個(gè)環(huán)狀電極，消除電極/黑磷邊緣對(duì)偏振探測(cè)的干擾。結(jié)果顯示黑磷具有明顯的偏振光敏感性。
圖3 黑磷器件和偏振響應(yīng)圖
黑磷的偏振研究工作還有很多，在此就不一一贅述了。
c. 黑砷磷、黑磷碳、鍺磷
20年前，有報(bào)道將砷元素?fù)诫s進(jìn)黑磷塊體中，結(jié)果在10 K溫度下表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。最近黑砷磷薄層被制作出來(lái)。類似于黑磷，黑砷磷屬于斜方晶系，具有天然的納米級(jí)褶皺蜂巢晶格結(jié)構(gòu)，并且表現(xiàn)出高度各項(xiàng)異性結(jié)構(gòu)。2015年上海技術(shù)物理研究所龍明生和胡偉達(dá)等人成功制作出黑砷磷8微米波長(zhǎng)偏振器件。
此外，碳元素和鍺元素同樣可以摻雜到黑磷中，且仍然保持晶格原有的“扶手椅”空間幾何結(jié)構(gòu)，它們不僅能將探測(cè)波長(zhǎng)拓展到長(zhǎng)波紅外，而且具有極高遷移率特性，它們將會(huì)是紅外偏振器件的有力角逐者。
d. 硫化錸與硒化錸
在二維材料中，硫化錸與硒化錸是新星材料，它們具有穩(wěn)定的扭曲1T相，該相的Peierls畸變導(dǎo)致沿著平面中的晶格矢量方向出現(xiàn)折曲的S(或Se)層和鋸齒狀的Re鏈。其中錸鏈的一維排列導(dǎo)致強(qiáng)烈的面內(nèi)各向異性，這種不對(duì)稱結(jié)構(gòu)鍵的強(qiáng)各向異性會(huì)導(dǎo)致許多各向異性行為，例如其平行和垂直方向的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)差異。此外，扭曲結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其屬于三斜晶系，這與其他具有六方對(duì)稱結(jié)構(gòu)的各向同性二維材料顯著不同。因此它們對(duì)偏振光具有極好的敏感性，如圖4所示，為2016年復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢等與上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)等聯(lián)合研制的硫化錸單器件的偏振響應(yīng)結(jié)果。
圖4 硫化錸器件偏振響應(yīng)圖
事實(shí)上，如果將硫化錸與硒化錸做成異質(zhì)結(jié)器件，像黑磷與其他二維材料結(jié)合制作的復(fù)合結(jié)構(gòu)，同樣具有優(yōu)秀的偏振光敏感性。
e. 硫化鍺和硒化鍺
另外，二維材料MX(M = Ge,Sn和X = Se,S)的原子空間排布類似于硫化錸，硒化錸和黑磷，晶體結(jié)構(gòu)同樣具有“扶手椅”幾何形狀，沿扶手椅和鋸齒形方向具有光電學(xué)各向異性，拉曼表征能夠證實(shí)這一點(diǎn)，它們也是優(yōu)秀的偏振探測(cè)材料。
一維材料
納米線是典型的一維材料，原則上來(lái)說(shuō)，只要納米線的直徑小于入射波長(zhǎng)，則都有偏振特性，也包括低溫超導(dǎo)納米線。另外還有一些碳納米管也具有偏振特性。
a. 納米線
一維納米線的偏振對(duì)比度不僅取決于直徑與入射光波長(zhǎng)的對(duì)比，還與納米線與環(huán)境的介電常數(shù)的對(duì)比。當(dāng)納米線的直徑小于入射光時(shí)，偏振比可以通過(guò)經(jīng)典電磁學(xué)推出。當(dāng)入射光的偏振方向平行于納米線時(shí)，其電場(chǎng)不會(huì)衰減，但是當(dāng)垂直于納米線時(shí)，則按照公式衰減：，其中Ei(Ee)是納米線內(nèi)部(外部)場(chǎng)強(qiáng)，ε(ε0)是納米線(環(huán)境)的介電常數(shù)?；谝陨侠碚?，2001年Lieber等人在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了真空中InP納米線的偏振比96％，與它的介電常數(shù)12.4相符合。
當(dāng)納米線的直徑進(jìn)一步減小時(shí)，其偏振各向異性歸因于量子限域效應(yīng)引起的價(jià)帶混合。而且這種量子效應(yīng)產(chǎn)生的偏振比一般小于經(jīng)典電磁學(xué)的偏振比。目前已在多種納米線中觀測(cè)到偏振效應(yīng)，包括GaN、ZnO、ZnS/Se、CdS/Se、銀納米線和硅納米線等。
超導(dǎo)納米線也具有偏振特性。超導(dǎo)納米線主要應(yīng)用在軍事、醫(yī)學(xué)、量子通信、遙感、天文領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域往往需要偏振編碼，目前手段是前置偏振片檢測(cè)入射光子的偏振態(tài)，若探測(cè)器本身就具有偏振檢測(cè)功能，將極大提高系統(tǒng)集成度。
b. 碳納米管
碳納米管也屬于一維材料，像納米線一樣具有各向異性，對(duì)不同偏振入射光有不同的衰減比例，因此也具有偏振特性，在實(shí)驗(yàn)中也確實(shí)觀測(cè)到了單壁碳納米管的偏振特性。
總結(jié)
原則上來(lái)說(shuō)，在空間上具有各向異性的材料都具有偏振敏感性。同時(shí)能探測(cè)強(qiáng)度與偏振信息的集成紅外光電探測(cè)器是目前的發(fā)展方向，而且可制作于柔性襯底上的探測(cè)器并且發(fā)展出可穿戴設(shè)備是未來(lái)發(fā)展的一大趨勢(shì)。這其中二維材料和一維納米材料的研究一直如火如荼，并且展示出獨(dú)有的優(yōu)越性質(zhì)，正好滿足發(fā)展需求，將會(huì)大放光彩。
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