一种利用垂直异质结实现高性能且偏振敏感的成像传感器

红外偏振成像光电探测器在军用和民用领域都发挥着至关重要的作用，涵盖了夜视、机载监视和环境监测等应用。偏振敏感红外光电探测器凭借其提供了超越波长和光强度的新探测维度（光偏振态），在成像系统和偏振传感器中具有广阔的应用前景。然而，目前大多数偏振敏感光电探测器在可见光波段内工作，在短波红外（SWIR）波段针对有限响应度（R）和偏振比（PR）仍面临诸多挑战。

据麦姆斯咨询报道，近日，由国防科技大学、华南师范大学和中国科学院苏州纳米威廉希尔官方网站 与纳米仿生研究所组成的科研团队在Advanced Functional Materials期刊上，发表了以“Short-Wave Infrared Photodetectors Based on β-In2Se3/Te Heterojunctions for Optical Communication and Polarimetric Imaging Applications”为题的论文。该论文共同第一作者为国防科技大学Jingxian Xiong和Qiang Yu，通讯作者为国防科技大学周朴研究员、吴坚副研究员和华南师范大学霍能杰研究员。

这项研究报道了一种利用垂直异质结β-In₂Se₃/Te在短波红外区域实现高性能且偏振敏感的成像传感器。该器件获得了出色的响应能力（1310 nm处为2 A/W，1550 nm处为0.71 A/W）和比探测率（1310 nm处为2.14×10⁹ Jones，1550 nm处为7.3×10⁸ Jones），其性能超过了大多数各向异性二维材料的红外光电探测器。考虑到Te纳米片具有强各向异性（如图1），该器件在1310 nm激光照射下表现出显著的偏振敏感性能，偏振比（PR）为4.95。这项研究提出了一种多功能光电探测器，可用于ASCII码传输和偏振敏感红外成像，为红外通信波段的多功能角分辨光电子器件提供了新机遇。

图1 采用溶液法合成的Te纳米片的原子结构和各向异性表征

研究人员将各向异性的Te纳米片与β-In₂Se₃相堆叠，从而制备垂直异质结器件。在该垂直异质结器件结构中，Te纳米片是载流子输运通道，β-In₂Se₃层作为光敏顶栅材料置于通道顶部。β-In₂Se₃/Te异质结器件结构和表征如图2所示。为了进一步诠释红外波段光门控效应（photogating effect）过程，图2h和图2i展示了该器件在红外光照下的响应机理示意图。

图2 β-In₂Se₃/Te异质结的表征与能带排列

为了探究β-In₂Se₃/Te器件在短波红外波段的光电探测性能，研究人员通过施加小偏置电压测量了不同波长(1310 nm和1550 nm)下的ISD-VSD曲线（如图3a）。另外，由于Te纳米片的窄带隙结构，β-In₂Se₃/Te器件具有宽带光探测能力，相关结果如图4所示。图4d展示了本研究的探测器与以往报道的二维光电探测器之间响应能力的比较，本研究器件性能显著提升。

图3 β-In₂Se₃/Te器件在短波红外波段的光探测特性

图4 β-In₂Se₃/Te器件在宽带范围内的光响应

凭借Te纳米片的强各向异性和Te/β-In₂Se₃器件出色的光响应特性，该器件在短波红外光谱进行偏振光电探测和成像赢得了更多机遇。图5a显示了角分辨偏振光响应的测量装置。图6e展示了偏振成像测试的示意图。

图5 β-In₂Se₃/Te器件的偏振敏感性能

图6 β-In₂Se₃/Te器件的偏振敏感光电探测和成像传感应用

综上所述，这项研究首先利用角分辨偏振拉曼光谱研究了Te纳米片的面内各向异性结构。随后，在研究人员将Te纳米片与β-In₂Se₃集成后，该异质结器件在偏振敏感光电探测和红外成像应用中表现出出色的性能。因此，这项研究提出了一种构建低对称范德华（vdW）异质结的有效策略，实现了高性能的红外偏振敏感光电探测器，并为角分辨纳米光子和光电子应用铺平道路。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202314972

审核编辑：刘清