人类裸眼无法感知光的偏振信息，而偏振成像技术能穿透雾霾、识别伪装，被誉为“光之指纹”。偏振成像和加密可提高目标识别精度和信息安全性，增强了图像传感器的传感敏锐度和抗干扰能力。然而，传统偏振片等色散光学元件的集成复杂，传感系统的微型化面临挑战。
图1 人眼与Te/ReSe₂器件感知入射光的比较
据麦姆斯咨询报道，近日，由广东工业大学、华南师范大学、中山大学和浙江大学组成的科研团队提出了一种基于Te/ReSe₂范德华异质结的偏振敏感型光电探测器。这种设计利用II型波段对准实现了高效的光载流子分离。ReSe₂和Te层的各向异性晶体取向将光子吸收与光载流子提取相结合，从而增强了功能。Te/ReSe₂器件具备宽光谱光响应（300 – 965 nm）范围、8.9的高偏振比，以及在635 nm波长下55.4 μs/55.7 μs的快速响应时间。这些特性可实现高分辨率偏振成像和精确的图像处理。
这项研究为开发微型偏振敏感光电探测器和推进无透镜偏振光电子学的发展提供了蓝图。这项研究以“Lensless Polarimetric Imaging and Encryption Enabled by Te/ReSe2 van der Waals Heterostructure Polarization-Sensitive Photodetector”为题发表在Nano Letters期刊上。
研究团队先对基于Te/ReSe₂范德华异质结的偏振敏感型光电探测器结构进行了表征。图2a和2b展示了Te/ReSe₂异质结构器件结构。ReSe₂位于Te层的顶部，分别为481 nm和105 nm（如图2c）。随后，研究团队对Te/ReSe₂异质结构光电探测器的光电特性进行了系统研究。对关键的光电探测性能指标进行了定量评估，包括响应度（R）、比探测度（D*）、光电导增益（Gain）、噪声等效功率（NEP）、线性动态范围（LDR）和响应时间，相关结果如图2d至图2i所示。
图2 Te/ReSe₂器件结构的表征
鉴于Te和ReSe₂具有明显的面内各向异性，Te/ReSe₂器件为研究偏振敏感的光响应提供了机会，相关结果如图3所示。图3b展示了Te/ReSe₂器件在635 nm光照下的时间分辨光响应，偏振角（θ）从0°至360°。Te/ReSe₂器件强大的偏振敏感光响应为实现无透镜偏振成像提供了巨大的潜力，足以满足复杂环境下的目标识别需求。
图3 Te/ReSe₂器件的偏振敏感光响应
接着，研究团队深入研究了Te/ReSe₂器件的基本运行机制。为了深入了解Te/ReSe₂异质结构中的载流子动力学，研究人员进行了密度泛函理论（DFT）计算，将开尔文探针力显微镜（KPFM）分析与DFT计算相结合，在不同条件下可以得出Te/ReSe₂异质结构的能带剖面图，从而揭示Te/ReSe₂器件的光响应机制，相关结果如图4所示。
图4 Te/ReSe₂器件的光响应机制
最后，这项研究进一步展示了使用双波传输技术进行图像处理的概念验证应用演示，相关演示应用如图5所示。
图5 Te/ReSe₂器件的加密成像应用
综上所述，这项研究提出了一种基于Te/ReSe₂范德华异质结构的高性能偏振敏感光电探测器，专为偏振成像和加密应用量身定制。该器件的特点是具有倒带弯曲的II型带对准，有利于快速高效地分离光载流子。因此，该器件具有光电特性显著提升。此外，Te/ReSe₂器件和谐地调整了ReSe₂和Te层的各向异性晶体取向，将各向异性光载流子激发与光载流子提取结合在一起，从而实现了8.9的高各向异性比。这项研究展示了Te/ReSe₂器件在偏振成像和双波段图像卷积处理方面的应用潜力，也为开发无透镜偏振敏感光电探测器提供了一种新方法，预示着未来在超微型光电系统中的广阔应用前景。
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06629
