近日，中國科學(xué)院技術(shù)物理所紅外科學(xué)與技術(shù)重點實驗室王旭東青年研究員團隊在新型偏振光電探測研究領(lǐng)域取得突破，提出了一種基于圖形化鐵電疇誘導(dǎo)低維半導(dǎo)體材料對稱性破缺的普適性方法，在非偏振敏感的低維半導(dǎo)體中誘導(dǎo)產(chǎn)生可調(diào)控的偏振光響應(yīng)。該研究成果為設(shè)計低維半導(dǎo)體材料的對稱性提供了新的操控策略，為研制基于新機理的偏振光電探測器提供了新的技術(shù)方法。研究成果以“Polarization photodetectors with configurable polarity transition enabled by programmable ferroelectric-doping patterns”為題，2024年10月9日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。

偏振探測技術(shù)能夠拓展探測目標的信息維度，收集目標的偏振光信息，包括偏振度、偏振角和相位差等，是信息技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。近年來，低維材料在高性能偏振光電探測領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，尤其是低維層狀材料的對稱性破缺工程為操縱其電學(xué)、光學(xué)、磁性和拓撲特性創(chuàng)造了更多機遇。然而，目前相關(guān)研究局限于對稱性破缺的單一材料或異質(zhì)結(jié)，要求晶體材料必須滿足特定的對稱性或以某種特定角度對準，限制了相關(guān)的非線性物理現(xiàn)象的研究。

針對上述前沿學(xué)科問題，研究團隊利用有機鐵電薄膜P(VDF-TrFE)良好的鐵電性和可塑性，結(jié)合原子力顯微鏡技術(shù)在納米尺度下的操控能力，設(shè)計了非對稱的“T”字形鐵電疇陣列。研究發(fā)現(xiàn)，鐵電疇陣列結(jié)合剩余極化電場打破了低維半導(dǎo)體MoTe₂的本征C_3v對稱性，在MoTe₂中誘導(dǎo)非對稱的載流子分布。基于此，器件展現(xiàn)出具有體光伏效應(yīng)（Bulk photovoltaic effect, BPVE）的光電特征，即自發(fā)光電流和偏振光響應(yīng)。此外，通過施加不同的偏置電壓，可以進一步調(diào)控器件的偏振探測比，進而實現(xiàn)理論上極大的偏振區(qū)分度，突破傳統(tǒng)設(shè)計極限。

上述研究成果由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和復(fù)旦大學(xué)共同完成。紅外科學(xué)與技術(shù)重點實驗室王旭東青年研究員、周靖研究員和復(fù)旦大學(xué)陳艷青年副研究員為論文共同通訊作者，伍帥琴博士后、鄧杰博士后為論文第一作者。

該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金、上海市科委、中國博士后科學(xué)基金等多個項目的支持。

圖1. a. 器件結(jié)構(gòu)示意圖；b. MoTe₂調(diào)控前后的偏振二次諧波測試結(jié)果；c. 器件在暗態(tài)和光照下的輸出特性曲線；d. 器件在0偏壓下的偏振光響應(yīng)；e. 器件在不同偏壓下的偏振光響應(yīng)；f. 在極性轉(zhuǎn)變點對應(yīng)的偏壓處，器件的偏振探測比超過300