近日，中國科學院技術物理所紅外科學與技術重點實驗室王旭東青年研究員團隊在新型偏振光電探測研究領域取得突破，提出了一種基于圖形化鐵電疇誘導低維半導體材料對稱性破缺的普適性方法，在非偏振敏感的低維半導體中誘導產生可調控的偏振光響應。該研究成果為設計低維半導體材料的對稱性提供了新的操控策略，為研制基于新機理的偏振光電探測器提供了新的技術方法。研究成果以“Polarization photodetectors with configurable polarity transition enabled by programmable ferroelectric-doping patterns”為題，2024年10月9日發表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
偏振探測技術能夠拓展探測目標的信息維度，收集目標的偏振光信息，包括偏振度、偏振角和相位差等，是信息技術領域的重要發展方向之一。近年來，低維材料在高性能偏振光電探測領域顯示出巨大的潛力，尤其是低維層狀材料的對稱性破缺工程為操縱其電學、光學、磁性和拓撲特性創造了更多機遇。然而，目前相關研究局限于對稱性破缺的單一材料或異質結，要求晶體材料必須滿足特定的對稱性或以某種特定角度對準，限制了相關的非線性物理現象的研究。
針對上述前沿學科問題，研究團隊利用有機鐵電薄膜P(VDF-TrFE)良好的鐵電性和可塑性，結合原子力顯微鏡技術在納米尺度下的操控能力，設計了非對稱的“T”字形鐵電疇陣列。研究發現，鐵電疇陣列結合剩余極化電場打破了低維半導體MoTe2的本征C3v對稱性，在MoTe2中誘導非對稱的載流子分布。基于此，器件展現出具有體光伏效應（Bulk photovoltaic effect, BPVE）的光電特征，即自發光電流和偏振光響應。此外，通過施加不同的偏置電壓，可以進一步調控器件的偏振探測比，進而實現理論上極大的偏振區分度，突破傳統設計極限。
上述研究成果由中國科學院上海技術物理研究所和復旦大學共同完成。紅外科學與技術重點實驗室王旭東青年研究員、周靖研究員和復旦大學陳艷青年副研究員為論文共同通訊作者，伍帥琴博士后、鄧杰博士后為論文第一作者。
該研究得到了科技部重點研發計劃、中國科學院B類先導專項、國家自然科學基金、上海市科委、中國博士后科學基金等多個項目的支持。
圖1. a. 器件結構示意圖；b. MoTe2調控前后的偏振二次諧波測試結果；c. 器件在暗態和光照下的輸出特性曲線；d. 器件在0偏壓下的偏振光響應；e. 器件在不同偏壓下的偏振光響應；f. 在極性轉變點對應的偏壓處，器件的偏振探測比超過300
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