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23

2025

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基于异质结的多色及偏振光电探测器，助力偏振成像及光通信应用

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多色和偏振成像技术在复杂环境中能够高效、精确地识别目标，在自动驾驶、安全监控和光通信等领域具有重要应用价值。传统光电探测系统依赖于偏振器和光栅等光学元件以及复杂的架构来实现多色和偏振探测，这限制了设备的小型化和高密度集成。二维（2D）范德华（vdW）异质结通过垂直堆叠单个二维材料形成，为解决这些挑战提供了有前景的方案。二维材料的层状结构和无表面悬挂键的特点使得其可以轻松剥离和重新堆叠，且不受晶格失配的限制。此外，各组成材料的优异结构和物理特性以及界面相互作用，使得二维异质结具有协同和互补的功能。然而，由于这些材料的平面各向同性光学和电学特性，仅靠材料本身无法实现偏振敏感光电探测，需要引入各向异性结构或外部光学元件。近年来，通过结合二维各向异性半导体与其他二维材料，研究人员实现了同时具备宽带和偏振敏感光电探测的范德华异质结。
据麦姆斯咨询报道，近日，国科大杭州高等研究院和电子科技大学的研究团队提出了一种基于α-In₂Se₃/2H-MoTe₂范德华异质结构的多色和偏振敏感光电探测器，其在可见光和近红外（NIR）光谱范围内表现出优异的光电探测性能。该异质结构在940 nm的近红外波长下展现出3.7 A/W的峰值响应度、5.1 × 10⁹ Jones的比探测率、486%的外量子效率和约6 ms的响应时间。此外，该异质结构在638 nm和1550 nm波长下分别实现了1.40和1.07的偏振比，能够实现高分辨率的偏振成像，并作为光学信号接收器实现高保真和编码的光学通信。通过利用范德华异质结构的内在材料特性和外部场调控能力，为下一代高性能多功能光电探测器提供了一种有前景的途径。这项研究以“Multicolor and Polarization-Sensitive Photodetection of α-In2Se3/2H-MoTe2 vdW Heterostructure for Imaging and Optical Communication”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

α-In₂Se₃具有平面各向异性光响应特性，而2H-MoTe₂在近红外波段具有宽带光吸收特性，二者的结合使得该异质结构能够实现多色和偏振敏感光电探测。实验中，通过机械剥离法制备了二维α-In₂Se₃和2H-MoTe₂纳米片，并将其手动堆叠形成范德华异质结。图1展示了α-In₂Se₃/2H-MoTe₂范德华异质结构的结构与表征。

随后，研究人员通过光电子能谱（UPS）确定了α-In₂Se₃和2H-MoTe₂的功函数分别为4.62 eV和4.68 eV，基于此计算出二者在异质结界面处形成了II型能带排列。该异质结在可见光到近红外光谱范围内展现出宽带光吸收特性，且在940 nm波长下实现了高效的光电探测性能，相关研究结果如图2所示。

研究人员使用扫描光电流显微镜在638 nm、940 nm和1550 nm下进一步探究了该器件的光响应机制，相关结果如图3所示。结果表明在638 nm和940 nm波长下，光生载流子在异质结区域得到有效分离，而在1550 nm波长下，由于吸收较弱，光响应相对较弱。此外，该异质结构在638 nm和1550 nm波长下展现出偏振敏感特性，其偏振比分别为1.40和1.07，相关结果如图4所示。

为了验证该异质结构光电探测器的偏振成像和光学通信能力，研究人员分别进行了偏振成像和ASCII码传输实验，相关实验设置及结果如图5所示。实验结果表明，该探测器能够实现高分辨率的偏振成像，并能够准确接收和解码光学信号，展现出在成像和光学通信领域的应用潜力。

综上所述，这项研究通过构建α-In₂Se₃/2H-MoTe₂范德华异质结构，实现了多色和偏振敏感光电探测，并在940 nm波长下展现出优异的光电探测性能。该异质结构在638 nm和1550 nm波长下展现出偏振敏感特性，能够实现高分辨率偏振成像和光学通信。通过利用范德华异质结构的内在材料特性和外部场调控能力，为下一代高性能多功能光电探测器提供了一种有前景的方案

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