自然界光大部分經(jīng)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(zhuǎn)的方向)。
任何目標在反射和發(fā)射電磁輻射的過程中都會表現(xiàn)出由它們自身特性(例如粗糙度、空隙度、含水量、構(gòu)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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)(長度30 μm，寬度140 nm)，由于光激發(fā)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(xiàn)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于該材料的面內(nèi)光學各向異性產(chǎn)生的強內(nèi)稟線性二色性，如圖1所示，具有矩形面內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)可以輕易探測平行或垂直于x軸的偏振光的不同吸收。由于單層黑磷的帶隙是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。
圖1 黑磷原子空間結(jié)構(gòu)示意圖
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(jié)，有效分離光生載流子，如圖3所示，同時制作一個環(huán)狀電極，消除電極/黑磷邊緣對偏振探測的干擾。結(jié)果顯示黑磷具有明顯的偏振光敏感性。
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(jié)果在10 K溫度下表現(xiàn)出超導特性。最近黑砷磷薄層被制作出來。類似于黑磷，黑砷磷屬于斜方晶系，具有天然的納米級褶皺蜂巢晶格結(jié)構(gòu)，并且表現(xiàn)出高度各項異性結(jié)構(gòu)。2015年上海技術(shù)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(jié)構(gòu)，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(wěn)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(xiàn)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(nèi)各向異性，這種不對稱結(jié)構(gòu)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(zhì)差異。此外，扭曲結(jié)構(gòu)導致其屬于三斜晶系，這與其他具有六方對稱結(jié)構(gòu)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(fā)賢等與上海技術(shù)物理研究所胡偉達等聯(lián)合研制的硫化錸單器件的偏振響應結(jié)果。
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(zhì)結(jié)器件，像黑磷與其他二維材料結(jié)合制作的復合結(jié)構(gòu)，同樣具有優(yōu)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于硫化錸，硒化錸和黑磷，晶體結(jié)構(gòu)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(yōu)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于入射波長，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于直徑與入射光波長的對比，還與納米線與環(huán)境的介電常數(shù)的對比。當納米線的直徑小于入射光時，偏振比可以通過經(jīng)典電磁學推出。當入射光的偏振方向平行于納米線時，其電場不會衰減，但是當垂直于納米線時，則按照公式衰減：，其中Ei(Ee)是納米線內(nèi)部(外部)場強，ε(ε0)是納米線(環(huán)境)的介電常數(shù)。基于以上理論，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(shù)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于量子限域效應引起的價帶混合。而且這種量子效應產(chǎn)生的偏振比一般小于經(jīng)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、銀納米線和硅納米線等。
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(yī)學、量子通信、遙感、天文領(lǐng)域。在這些領(lǐng)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(tài)，若探測器本身就具有偏振檢測功能，將極大提高系統(tǒng)集成度。
b. 碳納米管
碳納米管也屬于一維材料，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(jié)
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(fā)展方向，而且可制作于柔性襯底上的探測器并且發(fā)展出可穿戴設(shè)備是未來發(fā)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，并且展示出獨有的優(yōu)越性質(zhì)，正好滿足發(fā)展需求，將會大放光彩。
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