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基于低维材料的光电探测器

　光的向量特性以及其在传播过程中的向量变换过程为物体的偏振光检测奠定了基础，从而扩大了相关探测器在复杂环境中的应用范围。近年来，光学和电子领域中低维材料（光学低维材料）的突破为这一领域的发展带来了新的机遇，特别是将这些新型低维材料与器件的传统工作模式相结合，有望开辟新的发展前景。鉴于此，近日来自东北师范大学的徐海阳教授、辛巍副教授、辛星博士, 中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员以及长春光机所程晋罗研究员共同领导的研究团队在Advanced Materials上以Low-dimensional Materials-Based Photodetectors for Next-Generation Polarized Detection And Imaging为题发表综述文章，总结了偏振光检测和成像的极化敏感元件的最新进展，探讨了传统偏振光检测器（PPs）的工作原理与光学低维材料的偏振依赖光响应机制之间的关系，并探讨了这一领域的机遇和挑战。在低维材料中，电子和空穴受到空间限制，导致它们的能级受到量子限制效应的约束。这导致了在这些材料中出现的量子能级，如激子。低维材料通常具有强烈的光与物质相互作用，其结构的对称性对材料的线性和非线性光学响应影响显著，这也导致了这些材料在偏振依赖的光学调制、光电探测和光放大等方面具有潜在应用。同时，由于其特殊的结构，低维材料的能带结构可以通过工程化来调控。这意味着研究人员可以通过选择不同类型的材料、控制材料的尺寸和形状，以及应用外部电场等方式来调整材料的电子能带结构，以实现特定的光学性质和功能。最后，低维材料的表面对其性质具有显著影响。表面缺陷态和局部场效应可以改变材料的光电性质，从而为传感和探测应用提供了潜在的机会。低维材料用于偏振光电探测有以下优势：首先，低维材料能够直接识别线性和手性偏振光，这对于偏振光检测至关重要。通过构建结构或将光学低维材料与光纤、谐振器、波导、超表面等结构相结合，基于低维材料的偏振光检测设备表现出极高的消光比，可以克服传统设备结构中的信号串扰或体积庞大引发的问题。

图1.基于材料自身各向异性的偏振探测器

　其次，光学低维材料的偏振依赖光响应还可以通过等离激元超表面结构来加以调控，从而实现对光的操控。通过选择不同类型的材料、调整材料的尺寸和形状，以及应用外部局域场等方式，可以调整材料的电子能带结构，以实现特定偏振光的检测和操控。

图2 基于等离激元超表面结构各向异性的偏振探测器

　最后，材料晶格结构的空间反演对称性也对其偏振光响应过程也至关重要。基于材料本身或者是外界环境诱导等因素，材料的非线性光学性质（如体光伏效应等）会被进一步被放大，进而表现出强烈的光学偏振依赖特性。

图3 通过打破对称性破缺实现偏振光电探测

　总的来说，低维材料在下一代偏振检测和成像中具有巨大的应用潜力。它们的独特光学性质和可工程化性使得它们成为发展高性能、高分辨率、高灵敏度的偏振光检测设备的理想选择。通过充分利用低维材料的特点，有望在偏振光检测和成像领域取得更多的突破，推动这一领域的进一步发展。

图4 偏振光电探测器的发展

引文格式：Xin, W. et al. Low‐Dimensional‐Materials‐Based Photodetectors for Next‐Generation Polarized Detection and Imaging. Advanced Materials 36, 2306772 (2024).