近日，红外科学与技术重点实验室王旭东青年研究员团队在新型偏振光电探测研究领域取得突破，提出了一种基于图形化铁电畴诱导低维半导体材料对称性破缺的普适性方法，在非偏振敏感的低维半导体中诱导产生可调控的偏振光响应。该研究成果为设计低维半导体材料的对称性提供了新的操控策略，为研制基于新机理的偏振光电探测器提供了新的技术方法。研究成果以“Polarization photodetectors with configurable polarity transition enabled by programmable ferroelectric-doping patterns”为题，2024年10月9日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。
偏振探测技术能够拓展探测目标的信息维度，收集目标的偏振光信息，包括偏振度、偏振角和相位差等，是信息技术领域的重要发展方向之一。近年来，低维材料在高性能偏振光电探测领域显示出巨大的潜力，尤其是低维层状材料的对称性破缺工程为操纵其电学、光学、磁性和拓扑特性创造了更多机遇。然而，目前相关研究局限于对称性破缺的单一材料或异质结，要求晶体材料必须满足特定的对称性或以某种特定角度对准，限制了相关的非线性物理现象的研究。
针对上述前沿学科问题，研究团队利用有机铁电薄膜P(VDF-TrFE)良好的铁电性和可塑性，结合原子力显微镜技术在纳米尺度下的操控能力，设计了非对称的“T”字形铁电畴阵列。研究发现，铁电畴阵列结合剩余极化电场打破了低维半导体MoTe2的本征C3v对称性，在MoTe2中诱导非对称的载流子分布。基于此，器件展现出具有体光伏效应（Bulk photovoltaic effect, BPVE）的光电特征，即自发光电流和偏振光响应。此外，通过施加不同的偏置电压，可以进一步调控器件的偏振探测比，进而实现理论上极大的偏振区分度，突破传统设计极限。
上述研究成果由中国科学院上海技术物理研究所和复旦大学共同完成。红外科学与技术重点实验室王旭东青年研究员、周靖研究员和复旦大学陈艳青年副研究员为论文共同通讯作者，伍帅琴博士后、邓杰博士后为论文第一作者。
该研究得到了科技部重点研发计划、中国科学院B类先导专项、国家自然科学基金、上海市科委、中国博士后科学基金等多个项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52877-3
图1. a. 器件结构示意图；b. MoTe2调控前后的偏振二次谐波测试结果；c. 器件在暗态和光照下的输出特性曲线；d. 器件在0偏压下的偏振光响应；e. 器件在不同偏压下的偏振光响应；f. 在极性转变点对应的偏压处，器件的偏振探测比超过300
撰稿、供图：王旭东
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