Nano Research:偏振光探测器新进展
纳米人 2021-02-23
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背景介绍

偏振光信号可用于偏振探测与成像。随着集成电路的发展,小型化、集成化和低功耗设计已成为偏振检测的重要方向。对于普通的偏振光检测器中,特定结构的光学介质(例如等离子微腔,量子阱和超晶格结构材料)已被用作偏振滤光材料。但是,这些光学介质无疑会增加设备的尺寸和复杂性。最近,具有面内低对称性和强的极化敏感性的二维材料,例如黑磷,黑砷,锑等,被人们广泛应用于偏振探测器中。越来越多的二维偏振探测器被科学家关注与研究。


成果简介

近日,中国科学院半导体研究所魏钟鸣课题组助理研究员杨珏晗博士生崔宇周子琦报道了基于各向异性材料SnS纳米片的具有波长选择特性的偏振光探测器。通过扫描电子显微镜和偏振拉曼光谱确定SnS纳米片的晶格方向。沿着SnS纳米片的偏振易轴制备光电探测器并进行光电测试。测试结果显示,SnS纳米片的迁移率为37.75 cm2· V-1· s-1,光响应度为310.5 A/W,450nm激光器照射下,器件的外量子效应高达8.56×104%。


SnS纳米片的吸收二向色性比在862nm波长最大,达到3.06。在入射偏振光波长为450-1550 nm的范围内,仅表现出对808 nm的明显偏振光响应。因此可认为SnS纳米片器件对于808 nm具有选择性偏振响应这项研究揭示了SnS具有应用于特定波长的偏振光检测潜力。


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图1.(a)SnS体材料的光学图片;(b)SnS晶体的原子堆积图;(c)SnS晶体的高分辨扫描电子显微镜图像;(d)[001]晶向的电子衍射图谱。


要点1:SnS单晶结构表征

SnS晶体属于斜方晶系的二维层状半导体材料。从图1(b)中可看出其晶体结构具有面内低对称性的特征,层与层间由范德瓦尔斯力结合。本次研究中,采用化学气相输运的方法制备了高结晶度的单晶SnS晶体。将得到的SnS单晶测量扫描电子显微镜可清晰的看到材料的原子像及电子衍射图片,如图1(c),(d)所示。图1(c)中橙色小球对应S原子,紫色小球对应Sn原子。与晶体堆积图的a轴和b轴对应,确定样品的armchair方向和zigzag方向。


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图2. 基于SnS纳米片的吸收各向异性测量。(a)用于测量吸收各向异性的SnS纳米片显微镜图像;(b)不同角度的吸收谱(c)808nm、862nm、1447nm下,吸收与角度依赖关系图(d)zigzag方向与armchair方向的吸收二向色性比(e)zigzag方向与armchair方向的吸收二向色性差(f)808nm下吸收的极坐标图谱


要点2:SnS纳米片的吸收各向异性测量

将确定好armchair方向和zigzag方向的SnS纳米片进行吸收各项异性测试,不同波长的吸收二向色性比如图2(d)中所示。我们可以清晰的看出,在300 nm-750 nm波长下,吸收无各项异性,二向色性比为1。在750 nm-950 nm波长下,出现吸收各项异性,862nm的各向异性达到最强,其二向色性比为3.06。950 nm之后,吸收的各向异性减弱,其吸收主要为激子吸收而非材料本征吸收。


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图3. (a) 基于SnS光电探测器不同波长照射下的光响应角度依赖图谱;(b)808nm激光照射下,偏压与角度依赖的光响应高度图;(c)808nm激光照射下,器件光电流的角度依赖极坐标图。


通过机械剥离的方法,将SnS纳米片转移到SiO2/Si衬底上制备两端电极。将线偏光照射在样品表面,改变线偏光的入射方向,测量器件的光电流。图3(a)为不同波长下的光响应角度依赖,可以看出与吸收谱一致,其各向异性在800nm最为显著,因此,我们将SnS纳米片的偏振探测集中在800nm附近。图3(c)为808nm偏振光照射下,器件偏压为1V时,器件的光电流与角度的极坐标图。其中,黑点数据为实验值,红线为拟合曲线。拟合得到基于SnS纳米片的偏振探测器在808nm的偏振二向色性为1.2,且器件性能稳定,可循环探测.


参考文献

https://doi.org/10.1007/s12274-020-3197-7


作者简介

杨珏晗,助理研究员。博士毕业于中国科学院半导体研究所。美国加州大学伯克利分校及劳伦斯博克斯国家实验室博士后。现任中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室助理研究员。研究领域为低维半导体材料光电器件,目前在Advanced Materials,ACS Nano,Small等杂志上累计发表文章30余篇。

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