背景介紹
偏振光信號可用于偏振探測與成像。隨著集成電路的發(fā)展，小型化、集成化和低功耗設(shè)計(jì)已成為偏振檢測的重要方向。對于普通的偏振光檢測器中，特定結(jié)構(gòu)的光學(xué)介質(zhì)（例如等離子微腔，量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)材料）已被用作偏振濾光材料。但是，這些光學(xué)介質(zhì)無疑會增加設(shè)備的尺寸和復(fù)雜性。最近，具有面內(nèi)低對稱性和強(qiáng)的極化敏感性的二維材料，例如黑磷，黑砷，銻等，被人們廣泛應(yīng)用于偏振探測器中。越來越多的二維偏振探測器被科學(xué)家關(guān)注與研究。
成果簡介
近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所魏鐘鳴課題組助理研究員楊玨晗和博士生崔宇、周子琦報(bào)道了基于各向異性材料SnS納米片的具有波長選擇特性的偏振光探測器。通過掃描電子顯微鏡和偏振拉曼光譜確定SnS納米片的晶格方向。沿著SnS納米片的偏振易軸制備光電探測器并進(jìn)行光電測試。測試結(jié)果顯示，SnS納米片的遷移率為37.75 cm2· V-1· s-1，光響應(yīng)度為310.5 A/W，450nm激光器照射下，器件的外量子效應(yīng)高達(dá)8.56×104%。
SnS納米片的吸收二向色性比在862nm波長最大，達(dá)到3.06。在入射偏振光波長為450-1550 nm的范圍內(nèi)，僅表現(xiàn)出對808 nm的明顯偏振光響應(yīng)。因此可認(rèn)為SnS納米片器件對于808 nm具有選擇性偏振響應(yīng)這項(xiàng)研究揭示了SnS具有應(yīng)用于特定波長的偏振光檢測潛力。
圖1.（a）SnS體材料的光學(xué)圖片；（b）SnS晶體的原子堆積圖；（c）SnS晶體的高分辨掃描電子顯微鏡圖像；（d）[001]晶向的電子衍射圖譜。
要點(diǎn)1：SnS單晶結(jié)構(gòu)表征
SnS晶體屬于斜方晶系的二維層狀半導(dǎo)體材料。從圖1（b）中可看出其晶體結(jié)構(gòu)具有面內(nèi)低對稱性的特征，層與層間由范德瓦爾斯力結(jié)合。本次研究中，采用化學(xué)氣相輸運(yùn)的方法制備了高結(jié)晶度的單晶SnS晶體。將得到的SnS單晶測量掃描電子顯微鏡可清晰的看到材料的原子像及電子衍射圖片，如圖1（c），（d）所示。圖1（c）中橙色小球?qū)?yīng)S原子，紫色小球?qū)?yīng)Sn原子。與晶體堆積圖的a軸和b軸對應(yīng)，確定樣品的armchair方向和zigzag方向。
圖2. 基于SnS納米片的吸收各向異性測量。（a）用于測量吸收各向異性的SnS納米片顯微鏡圖像；（b）不同角度的吸收譜（c）808nm、862nm、1447nm下，吸收與角度依賴關(guān)系圖（d）zigzag方向與armchair方向的吸收二向色性比（e）zigzag方向與armchair方向的吸收二向色性差（f）808nm下吸收的極坐標(biāo)圖譜
要點(diǎn)2：SnS納米片的吸收各向異性測量
將確定好armchair方向和zigzag方向的SnS納米片進(jìn)行吸收各項(xiàng)異性測試，不同波長的吸收二向色性比如圖2（d）中所示。我們可以清晰的看出，在300 nm-750 nm波長下，吸收無各項(xiàng)異性，二向色性比為1。在750 nm-950 nm波長下，出現(xiàn)吸收各項(xiàng)異性，862nm的各向異性達(dá)到最強(qiáng)，其二向色性比為3.06。950 nm之后，吸收的各向異性減弱，其吸收主要為激子吸收而非材料本征吸收。
圖3. (a) 基于SnS光電探測器不同波長照射下的光響應(yīng)角度依賴圖譜；（b）808nm激光照射下，偏壓與角度依賴的光響應(yīng)高度圖；（c）808nm激光照射下，器件光電流的角度依賴極坐標(biāo)圖。
通過機(jī)械剝離的方法，將SnS納米片轉(zhuǎn)移到SiO2/Si襯底上制備兩端電極。將線偏光照射在樣品表面，改變線偏光的入射方向，測量器件的光電流。圖3（a）為不同波長下的光響應(yīng)角度依賴，可以看出與吸收譜一致，其各向異性在800nm最為顯著，因此，我們將SnS納米片的偏振探測集中在800nm附近。圖3（c）為808nm偏振光照射下，器件偏壓為1V時(shí)，器件的光電流與角度的極坐標(biāo)圖。其中，黑點(diǎn)數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)值，紅線為擬合曲線。擬合得到基于SnS納米片的偏振探測器在808nm的偏振二向色性為1.2，且器件性能穩(wěn)定，可循環(huán)探測.
參考文獻(xiàn)
https://doi.org/10.1007/s12274-020-3197-7
作者簡介
楊玨晗，助理研究員。博士畢業(yè)于中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所。美國加州大學(xué)伯克利分校及勞倫斯博克斯國家實(shí)驗(yàn)室博士后。現(xiàn)任中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室助理研究員。研究領(lǐng)域?yàn)榈途S半導(dǎo)體材料光電器件，目前在Advanced Materials，ACS Nano，Small等雜志上累計(jì)發(fā)表文章30余篇。
