近日,中國科學(xué)院技術(shù)物理所紅外科學(xué)與技術(shù)重點實驗室王旭東青年研究員團隊在新型偏振光電探測研究領(lǐng)域取得突破,提出了一種基于圖形化鐵電疇誘導(dǎo)低維半導(dǎo)體材料對稱性破缺的普適性方法,在非偏振敏感的低維半導(dǎo)體中誘導(dǎo)產(chǎn)生可調(diào)控的偏振光響應(yīng)。該研究成果為設(shè)計低維半導(dǎo)體材料的對稱性提供了新的操控策略,為研制基于新機理的偏振光電探測器提供了新的技術(shù)方法。研究成果以“Polarization photodetectors with configurable polarity transition enabled by programmable ferroelectric-doping patterns”為題,2024年10月9日發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)期刊上。
偏振探測技術(shù)能夠拓展探測目標(biāo)的信息維度,收集目標(biāo)的偏振光信息,包括偏振度、偏振角和相位差等,是信息技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。近年來,低維材料在高性能偏振光電探測領(lǐng)域顯示出巨大的潛力,尤其是低維層狀材料的對稱性破缺工程為操縱其電學(xué)、光學(xué)、磁性和拓撲特性創(chuàng)造了更多機遇。然而,目前相關(guān)研究局限于對稱性破缺的單一材料或異質(zhì)結(jié),要求晶體材料必須滿足特定的對稱性或以某種特定角度對準(zhǔn),限制了相關(guān)的非線性物理現(xiàn)象的研究。
針對上述前沿學(xué)科問題,研究團隊利用有機鐵電薄膜P(VDF-TrFE)良好的鐵電性和可塑性,結(jié)合原子力顯微鏡技術(shù)在納米尺度下的操控能力,設(shè)計了非對稱的“T”字形鐵電疇陣列。研究發(fā)現(xiàn),鐵電疇陣列結(jié)合剩余極化電場打破了低維半導(dǎo)體MoTe2的本征C3v對稱性,在MoTe2中誘導(dǎo)非對稱的載流子分布?;诖耍骷宫F(xiàn)出具有體光伏效應(yīng)(Bulk photovoltaic effect, BPVE)的光電特征,即自發(fā)光電流和偏振光響應(yīng)。此外,通過施加不同的偏置電壓,可以進一步調(diào)控器件的偏振探測比,進而實現(xiàn)理論上極大的偏振區(qū)分度,突破傳統(tǒng)設(shè)計極限。
上述研究成果由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和復(fù)旦大學(xué)共同完成。紅外科學(xué)與技術(shù)重點實驗室王旭東青年研究員、周靖研究員和復(fù)旦大學(xué)陳艷青年副研究員為論文共同通訊作者,伍帥琴博士后、鄧杰博士后為論文第一作者。
該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金、上海市科委、中國博士后科學(xué)基金等多個項目的支持。
圖1. a. 器件結(jié)構(gòu)示意圖;b. MoTe2調(diào)控前后的偏振二次諧波測試結(jié)果;c. 器件在暗態(tài)和光照下的輸出特性曲線;d. 器件在0偏壓下的偏振光響應(yīng);e. 器件在不同偏壓下的偏振光響應(yīng);f. 在極性轉(zhuǎn)變點對應(yīng)的偏壓處,器件的偏振探測比超過300
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