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。由于具有直接探测偏振光的优势，低维半导体材料在偏振探测领域具有独特的优势和发展潜力。其中，对称性破缺的低维半导体材料在均匀光照下，由于动量空间或实空间中的光生载流子不对称分布会产生偏振相关的自发光电流，该现象被称为体光伏效应（Bulk photovoltaic effect, BPVE）。基于该效应的器件由于具有超越S-Q极限（Shockley-Queisser limit）的潜力和偏振探测能力而受到广泛关注。然而，研究此效应往往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，极大地限制了研究者们对其中物理机制的深入研究和相关偏振光电探测器件的研制工作。
针对上述前沿学科问题，复旦大学光电研究院、上海市智能光电与感知前沿科学研究基地，褚君浩院士团队、王建禄教授、陈艳青年副研究员联合中国科学院上海技术物理研究所王旭东副研究员和周靖研究员，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途径。
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。铁电畴阵列产生的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，器件展现出体光伏效应（Bulk photovoltaic effect, BPVE）的光电行为，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，理论上可以实现无穷大的偏振区分度，突破传统设计极限。
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。
相关工作以“Polarization photodetectors with configurable polarity transition enabled by programmable ferroelectric-doping patterns”为题，发表于Nature Communications期刊。
复旦大学光电研究院伍帅琴博士后和中国科学院上海技术物理研究所邓杰博士后为论文第一作者，复旦大学光电研究院陈艳青年副研究员、红外科学与技术重点实验室王旭东副研究员和周靖研究员为论文共同通讯作者。
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
