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原來,不同的低維材料,對偏振光的敏感程度也不一樣

自然界光大部分經過大氣散射、折射和反射等過程,因此多為部分偏振光。偏振是光的一個重要信息,偏振探測可以把信息量從三維(光強、光譜和空間)擴充到七維(光強、光譜、空間、偏振度、偏振方位角、偏振橢率和旋轉的方向)。



任何目標在反射和發射電磁輻射的過程中都會表現出由它們自身特性(例如粗糙度、空隙度、含水量、構成材料的理化特性等)和光學基本定律(例如菲涅耳公式)所決定的偏振特性。



低維納米材料也不例外。



二維材料



石墨烯自從2004年被發現以來,開辟了二維材料的研究方向與熱潮。十多年來,各種各樣的二維材料,比如石墨烯、二硫化鉬、黑磷等被各種研究,其中對光有偏振敏感性的有--石墨烯納米帶、黑磷、黑砷磷、黑磷碳、鍺磷、硫化錸、硒化錸、硫化鍺和硒化鍺等。原則上來說,各向異性的材料都具有偏振光敏感性。



a. 石墨烯納米帶



石墨烯本身對偏振光沒有選擇性。2013年IBM研究院的Marcus Freitag和PhaedonAvouris等人報道了一種條狀石墨烯紅外偏振探測器。將石墨烯刻蝕成納米帶陣列結構(長度30 μm,寬度140 nm),由於光激發的等離子體-聲子和電子-空穴在溝道的衰減差異,光電流在納米級陣列中表現出偏振敏感性。從而10.6 µm的中紅外波段,15的消光比已被取得。



b. 黑磷



黑磷的極化靈敏度來源於該材料的面內光學各向異性產生的強內稟線性二色性,如圖1所示,具有矩形面內晶格的層狀黑磷晶體沿著x方向和y方向具有高度各向異性結構,每兩行磷原子交替地上下折疊以形成僅沿著x方向的“扶手椅”幾何形狀,該結構可以輕易探測平行或垂直於x軸的偏振光的不同吸收。由於單層黑磷的帶隙是0.3 eV,所以理論上黑磷能夠響應到4.1 μm波長的紅外光。目前對黑磷各向異性的研究工作較多,其中2015年,耶魯大學王肖沐和夏豐年等人對黑磷進行了x,y,45°偏振光表征,如圖2所示,可以明顯看到黑磷對x軸紅外偏振光最敏感。



原來,不同的低維材料,對偏振光的敏感程度也不一樣



圖1 黑磷原子空間結構示意圖



原來,不同的低維材料,對偏振光的敏感程度也不一樣



圖2 黑磷偏振響應圖



同年,斯坦福大學袁洪濤和崔屹等人將一塊黑磷薄片制作成上下垂直pn結,有效分離光生載流子,如圖3所示,同時制作一個環狀電極,消除電極/黑磷邊緣對偏振探測的乾擾。結果顯示黑磷具有明顯的偏振光敏感性。



原來,不同的低維材料,對偏振光的敏感程度也不一樣



圖3 黑磷器件和偏振響應圖



黑磷的偏振研究工作還有很多,在此就不一一贅述了。



c. 黑砷磷、黑磷碳、鍺磷



20年前,有報道將砷元素摻雜進黑磷塊體中,結果在10 K溫度下表現出超導特性。最近黑砷磷薄層被制作出來。類似於黑磷,黑砷磷屬於斜方晶系,具有天然的納米級褶皺蜂巢晶格結構,並且表現出高度各項異性結構。2015年上海技術物理研究所龍明生和胡偉達等人成功制作出黑砷磷8微米波長偏振器件。



此外,碳元素和鍺元素同樣可以摻雜到黑磷中,且仍然保持晶格原有的“扶手椅”空間幾何結構,它們不僅能將探測波長拓展到長波紅外,而且具有極高遷移率特性,它們將會是紅外偏振器件的有力角逐者。



d. 硫化錸與硒化錸



在二維材料中,硫化錸與硒化錸是新星材料,它們具有穩定的扭曲1T相,該相的Peierls畸變導致沿著平面中的晶格矢量方向出現折曲的S(或Se)層和鋸齒狀的Re鏈。其中錸鏈的一維排列導致強烈的面內各向異性,這種不對稱結構鍵的強各向異性會導致許多各向異性行為,例如其平行和垂直方向的電學和光學性質差異。此外,扭曲結構導致其屬於三斜晶系,這與其他具有六方對稱結構的各向同性二維材料顯著不同。因此它們對偏振光具有極好的敏感性,如圖4所示,為2016年復旦大學修發賢等與上海技術物理研究所胡偉達等聯合研制的硫化錸單器件的偏振響應結果。



原來,不同的低維材料,對偏振光的敏感程度也不一樣



圖4 硫化錸器件偏振響應圖



事實上,如果將硫化錸與硒化錸做成異質結器件,像黑磷與其他二維材料結合制作的復合結構,同樣具有優秀的偏振光敏感性。



e. 硫化鍺和硒化鍺



另外,二維材料MX(M = Ge,Sn和X = Se,S)的原子空間排布類似於硫化錸,硒化錸和黑磷,晶體結構同樣具有“扶手椅”幾何形狀,沿扶手椅和鋸齒形方向具有光電學各向異性,拉曼表征能夠證實這一點,它們也是優秀的偏振探測材料。



一維材料



納米線是典型的一維材料,原則上來說,只要納米線的直徑小於入射波長,則都有偏振特性,也包括低溫超導納米線。另外還有一些碳納米管也具有偏振特性。



a. 納米線



一維納米線的偏振對比度不僅取決於直徑與入射光波長的對比,還與納米線與環境的介電常數的對比。當納米線的直徑小於入射光時,偏振比可以通過經典電磁學推出。當入射光的偏振方向平行於納米線時,其電場不會衰減,但是當垂直於納米線時,則按照公式衰減:



原來,不同的低維材料,對偏振光的敏感程度也不一樣



,其中Ei(Ee)是納米線內部(外部)場強,ε(ε0)是納米線(環境)的介電常數。基於以上理論,2001年Lieber等人在實驗中驗證了真空中InP納米線的偏振比96%,與它的介電常數12.4相符合。



當納米線的直徑進一步減小時,其偏振各向異性歸因於量子限域效應引起的價帶混合。而且這種量子效應產生的偏振比一般小於經典電磁學的偏振比。目前已在多種納米線中觀測到偏振效應,包括GaN、ZnO、ZnS/Se、CdS/Se、銀納米線和矽納米線等。



超導納米線也具有偏振特性。超導納米線主要應用在軍事、醫學、量子通信、遙感、天文領域。在這些領域往往需要偏振編碼,目前手段是前置偏振片檢測入射光子的偏振態,若探測器本身就具有偏振檢測功能,將極大提高系統集成度。



b. 碳納米管



碳納米管也屬於一維材料,像納米線一樣具有各向異性,對不同偏振入射光有不同的衰減比例,因此也具有偏振特性,在實驗中也確實觀測到了單壁碳納米管的偏振特性。



總結



原則上來說,在空間上具有各向異性的材料都具有偏振敏感性。同時能探測強度與偏振信息的集成紅外光電探測器是目前的發展方向,而且可制作於柔性襯底上的探測器並且發展出可穿戴設備是未來發展的一大趨勢。這其中二維材料和一維納米材料的研究一直如火如荼,並且展示出獨有的優越性質,正好滿足發展需求,將會大放光彩。



來源:www.oeshow.cn



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