极性可调的中红外半金属偏振探测器

中科院半导体所 今天

以下文章来源于中国光学 ，作者Light

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来源：公众号【中国光学】（ID：ChineseOptics）

撰稿人：Keinstein（新加坡国立大学 博士生）

说明 | 本文来自论文作者投稿


偏振作为光的一种基本属性，在成像，通信，传感等光学几乎所有领域中都扮演着重要的角色。譬如就成像而言，光的偏振，作为光的第三维度，可以提供强度和颜色之外的信息。偏振相机可以具有穿云透雾以及洞察结构内部应力等功能。


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偏振相机捕捉到的透明塑料中的应力分布

图源：Light，新媒体工作组


但是，光学偏振的探测却并不很容易。目前商用的探测器基本都只对光强和颜色敏感，如需探测偏振则要在镜头前加一些波片以及偏振片。这听起来似乎很容易。但实际上，因为完整的光偏振信息包含了四个自由度（可以用斯托克斯参量来表示），所以我们需要不止一套波片和偏振片的组合。如何方便地对各种偏振分量进行测量就成了实际中的一个核心问题。


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偏振片在摄影中的应用

图源：Light，新媒体工作组


针对这个问题，已经有一些方法被提出，但他们都存在着一些问题：


（一）分时成像方法。这种方法采用转轮的方式，在时间顺序上依次获取不同偏振态的图像。因为其设计较复杂，不好进行片上集成以及时间分辨率有限，这种方法的前景并不被看好。


（二）分振幅成像方法。这种方法通过一系列偏振光学元件将不同偏振分量的光在空间上分离开，然后用多个探测器分别进行探测。该方法具有全斯托克斯测量等优势，但是其原理要求器件必须具有较大的空间体积，以便不同分量的光通过空间传播一定距离后得以分离，所以也无法做到真正的片上探测。


（三）分焦平面成像方法。这种方法在成像焦平面的探测器阵列顶部加工了图案化的线栅微偏振器。这种方法目前已经被商用，但其仍存在无法提供完整偏振信息以及无法处理中长波段（特别是中远红外）的缺点。


除了上面三种方法，最近还有一种方法越来越多地得到大家的关注，那就是自身对偏振敏感的光电探测器。因为不需要外加波片以及偏振片等光学元件，此类功能性光电探测器不会受到像素串扰的影响，从而使其能够以超高像素密度进行偏振成像。这背后的原理是基于材料或者结构的各向异性吸收。但因为这个原理的限制，器件的偏振比（Polarization ratio）普遍不高。


为了解决这一问题，新加坡国立大学的研究团队对目前偏振敏感的光电探测器进行了归纳梳理，发现存在两种不同的偏振响应，文中被称为“单极性”和“双极性”偏振响应。研究团队进一步提出一套基于石墨烯中非局部矢量光电流的方案，通过改变一对纳米天线的角度，可以实现这两种偏振响应的切换。


这个工作揭示了偏振比的值可在1→∞/-∞→-1范围内遍历，而非以往大家通常以为的正值，如下图中This Work所对应区域所示。其中，无穷大的偏振比在单极性和双极性偏振响应的转换点上取得。


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对偏振敏感探测器的归纳比较。单极化偏振响应指光响应的符号不随偏振方向而改变；双极化偏振响应则指光响应的符号会随偏振方向而改变。PR：偏振比。

图源：Nature Photonics / 图译：Keinstein 撰稿人


其相关成果以 Mid-infrared semimetal polarization detectors with configurable polarity transition 为题发表在 Nature Photonics。
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图源：Keinstein 撰稿人


为实现这个目标，研究人员采取了如下三步：

（1）纳米天线在纳米尺度搅动石墨烯中电子流动的过程在以往的工作中一直没有办法得到定量的理解，从而妨碍了器件结构的设计。这里，研究人员创造性地构建了一个基于流体动力学方程的理论模型，比较好地解决了这个问题。


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纳米天线在不同偏振状态下对石墨烯中电子的搅动效果

图源：Nature Photonics


（2）基于上述的理论模型，研究人员可以方便地对器件的偏振响应进行设计。在这个工作中，研究人员通过控制纳米天线放置的角度（θ1，θ2），来实现偏振比的值在1→∞/-∞→-1范围内遍历。


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器件设计和计算结果。右图中红色点、黄色点、蓝色点处具体的偏振响应曲线见下图。

图源：Nature Photonics / 图译：Keinstein 撰稿人

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测试结果（点）和计算结果（实线）。测得的偏振比值分别为1.5（红色）、-12（黄色）和-1（蓝色）. 其他偏振比的结果详见原文

图源：Nature Photonics / 图译：Keinstein 撰稿人


（3）为了克服实际中可能存在的加工误差问题，研究人员进一步提出了一种无需改变器件结构就可以通过电调节的方式改变偏振比的方法。通过使用不同材质的两种纳米天线，器件的偏振比就可以通过施加门电压来进行调节。


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可电调节偏振比的器件扫描电镜图和其实验结果

图源：Nature Photonics


多层石墨烯作为一种半金属，除了其非局域定向的光响应可以被我们利用实现大范围可调的偏振比之外，在零偏压下其噪声水平也是很低的。研究人员对他们的器件进行了测试，发现最小可以测到0.02o Hz-1/2的偏振角度变化。


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测试结果

图源：Nature Photonics


总的来说，这个工作在物理和工程两方面都有重要意义。一方面，纳米天线可以在纳米尺度下注入电流，从而是研究石墨烯电子学的很好物理平台；另一方面，这里展示的纳米天线-石墨烯技术可以被进一步应用到对圆偏振、矢量光束、入射角度乃至光学涡旋的探测中，显示了其在中红外功能性光电探测器上的巨大潜力。

论文信息

Wei, J., Xu, C., Dong, B. et al. Mid-infrared semimetal polarization detectors with configurable polarity transition. Nat. Photonics (2021).

新加坡国立大学电子与计算机学院博士生魏静轩为文章的第一作者，通讯作者为仇成伟（Qiu Cheng-Wei）教授和李正国（Lee Chengkuo）教授。


编辑 | 赵阳
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编辑：夏至

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