首页
产品中心
技术百科
客户案例
新闻中心
关于我们

客户成果丨华南师范大学《Advanced Functional Materials》：具有多控制状态的偏振光电探测器用于多值编码通信和偏振图像应用

偏振光探测器因其能够额外探测光的偏振状态，在光通信、偏振成像以及光学信息处理等领域展现出巨大的应用潜力。然而，目前主流的偏振光探测器主要依赖于各向异性光吸收导致的光电流幅值变化来区分偏振状态，这种方式通常仅能提供固定且有限的偏振比（PR）值。由于探测器的偏振比受限，其在光通信中的数据编码能力受到约束，难以实现高容量的信息传输，从而降低了光通信系统的效率。同时，在偏振成像应用中，探测器对不同偏振状态的光响应变化较小，导致成像对比度不足，使得目标识别精度较低，尤其是在复杂光照环境或多角度成像条件下，难以准确提取物体的偏振信息。因此，如何突破传统偏振探测机制的限制，提升偏振光探测器的调控能力，进而提高其在光通信和偏振成像中的数据传输容量与成像精度，成为当前研究的重要方向。

为了解决以上问题，国防科技大学周朴研究员、华南师范大学霍能杰研究员和孙一鸣副研究员开发了一种基于Ta2PdSe6/MoTe2半金属/半导体异质结的偏振光探测器，该器件具备多重控制状态，能够实现多值编码通信以及高对比度偏振成像。其中，栅极电压和偏压作为双电控调控方式，可以显著调整器件性能，使其在808 nm光照下，探测度可调范围从3.6 × 1010Jones提升至2.19 × 1012 Jones，偏振比从3.8 增强至 8.14。相关成果以“Polarimetric Photodetectors with Multi-Control States for Multi-Valued Encoding Communication and Polarization Image Applications” 为题发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上。

图1 Ta2PdSe6的原子结构与各向异性结构。a) Ta2PdSe6的原子晶体结构。b,c) Ta2PdSe6的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像及对应的Ta、Pd和Se元素的能谱分析（EDS）映射。d) Ta2PdSe6的理论能带结构。e) Ta2PdSe6的实验拉曼光谱及对应的计算声子振动模式。f) Ta2PdSe6的角度分辨极化拉曼成像。g-i) Ta2PdSe6的拉曼强度的极坐标图。

Ta2PdSe6 是一种新型的 2D 三元半金属材料，具有 C2/m 空间群的单斜晶系结构。其结构由方形平面 PdSe4和 TaSe7多面体组成，沿 b 轴呈锯齿（ZZ）链，沿 a 轴呈扶手椅（AC）链。通过化学气相输运法合成，HRTEM 显示其为高质量单晶。DFT 计算表明其为半金属，具有零带隙。拉曼光谱显示 9 个特征峰，并具有明显的极化依赖性，表明其具有强的平面内各向异性。这些特性使得 Ta2PdSe6 在电子和光电子领域具有潜力。

图2 Ta2PdSe6/MoTe2异质结的表征和可调节能带对齐。a) Ta2PdSe6/MoTe2异质结器件的示意图。b, c) Ta2PdSe6/MoTe2界面的横向透射电子显微镜图像及相应的EDS元素分布图。d) Ta2PdSe6/MoTe2界面的电荷密度差。e) MoTe2多层的理论能带结构。f, g) Ta2PdSe6/MoTe2异质结接触前后的能带对齐。h, i) 在不同门电压下Ta2PdSe6/MoTe2异质结的能带对齐。

通过将Ta2PdSe6和MoTe2构建异质结，改善了Ta2PdSe6的高暗电流问题。使用扫描透射电子显微镜（STEM）观察到Ta2PdSe6/MoTe2界面，发现电荷在界面发生转移。通过DFT计算，Ta2PdSe6显示为半金属特性，MoTe2具有间接带隙。实验表明，施加负门电压时，MoTe2的费米能级向价带偏移，增强电子流动；施加正门电压时，能级弯曲减小，暗电流降低。

图3 Ta2PdSe6/MoTe2器件在808 nm激光下的栅控光电性能。a,b) 在不同栅极电压（40 V和0 V）下，随着光功率密度增加，I_SD的映射图。c) Ta2PdSe6/MoTe2器件的时间分辨光响应。d,e) 双电控状态下（Vg和VSD）器件的R、EQE、D*、开关比（on/off ratio）和线性动态范围（LDR）的变化。i) 在光功率密度为55.4 mW/cm2下，器件的响应速度。

此外，还研究了Ta2PdSe6/MoTe2器件在双电控状态下的光电性能。器件的光电流随着光功率密度增加而增大，且在=0 V时表现出更强的光电响应。关键性能如光电流响应率（R）、外量子效率（EQE）和探测度（D*）均得到了显著提升。在=40 V时，器件具有更高的灵敏度和稳定性。器件的响应速度快，适用于成像和传感应用，且在1000次周期测试中表现出优异的稳定性。

图4 偏压和栅电压可调的偏振敏感Ta2PdSe6/MoTe2器件a) 偏振分辨光电流测量的示意图。b-f) 四个控制栅电压（ = 0 V (40 V) at = 0 V and = -1 V）下的偏振光响应和相应的极坐标图。g) 基于各向异性二维材料和异质结的偏振敏感光电探测器的PAS与PR值比较，包括PtTe2, BP/HgCdTe, Te/Si, Se/WS2, GeSe/SnS2, SbI3/Sb2O3, PdSe2GaN。i) 基于不同结构的偏振敏感光电探测器的PR值比较，包括单个器件，半金属器件, 2D/2D器件, 和混合维度器件

由于Ta2PdSe6/MoTe2器件因Ta2PdSe6的强各向异性，具备偏振敏感光电探测能力。通过调整栅极电压和偏置电压，光电流随偏振角变化，表现出周期性变化，最大值和最小值分别出现在特定的角度。通过这种控制，可以有效调整偏振敏感度（PR值），其值在3.8到8.14之间。该器件还表现出很高的偏振角灵敏度（PAS）和偏振角探测率（PAD），优于许多现有的偏振光电探测器。这种可调的偏振敏感性使其在光电子领域具有潜在应用价值。

图5 基于 Ta2PdSe6/MoTe2 器件的多逻辑状态输出用于编码通信系统a, b) 基于 Ta2PdSe6/MoTe2 器件的多控制状态多值编码示意图。c) 四种控制状态的编码规则。d-f) 通过控制光强、偏振角、栅极电压和偏压，实现逻辑门输出的四种状态。g) 在编码通信系统中，用于传输 ASCII 码并解码 "NUDT" 的输出信号。

由于优异的调控特性，提出了一种基于 Ta2PdSe6/MoTe2 器件的多逻辑状态输出方案，通过结合光信号、偏振角、栅极电压和偏压四种控制参数，实现了多值逻辑输出。实验结果表明，该器件可在不同控制条件下输出四种逻辑状态（00、01、10、11），相比传统的二进制编码方式，显著提高了信息传输效率。此外，该器件成功实现了 ASCII 编码信号的传输和解码，展现出在多值逻辑电路和编码光通信系统中的应用潜力。

图6 基于 Ta2PdSe6/MoTe2 在 808 nm 激光下的单像素偏振成像应用a) 基于Ta2PdSe6/MoTe2的单像素偏振成像系统示意图。b) 光电流的实时原始数据采集及其对应的位置颜色映射图。c) 偏振成像机制示意图，用于计算 DOLP。e, f) 在两种不同控制状态下 ( = 0 V, = 40 V and = -1 V, = 0 V) ，四种偏振角度（0°、45°、90° 和 135°）的偏振成像结果。f, g) 在相同控制状态下，DOLP 偏振成像计算结果。