综述：各向异性二维材料及其在偏振敏感型光电探测器中的应用

蜜蜂卓越的导航能力源自其独特的生物偏振视觉系统。这种进化形成的生物机制使其能在多云条件下通过解析大气偏振模式实现精准导航，为新型仿生光电传感器提供了重要的生物灵感。

据麦姆斯咨询报道，近日，暨南大学李宝军团队杨先光课题组以“Structural and optoelectronic characterization of anisotropic two-dimensional materials and applications in polarization- sensitive photodetectors”为题在Applied Physics Reviews期刊发表综述文章。论文的通讯为李宝军教授和杨先光副教授，第一作者为林志滔博士后和杨先光副教授。

在当今科技飞速发展的时代，对光的探测与理解达到了前所未有的深度。其中，偏振光作为光的一种基本特性，蕴含着丰富的信息，如光的相位和偏振角度等。这些信息对于遥感、红外成像、医疗诊断和光通信等领域具有极其重要的应用价值。许多种类的昆虫都具有检测这种偏振光的能力，这种能力来源于由它们的复眼结构。然而，这种功能并不是人类视觉系统所共有的。尽管有这种限制，人类的创造力还是巧妙地通过光电探测器利用偏振光，将光的偏振转化为电信号。这项技术突破使我们能够发现对自然世界的更深层次的理解，这些见解是我们感官无法企及的。然而，传统的偏振光探测器因依赖偏振片、光电转换组件和复杂的信号处理电路，面临着体积大、成本高、集成困难等诸多挑战。为突破这些限制，科研人员将目光投向了具有天然偏振光学特性的新型材料——各向异性二维（2D）材料。

各向异性二维材料因其不对称的晶体结构而展现出独特的物理和化学性质。这些材料包括单元素材料（如黑磷、黑砷等）、过渡金属二硫化物（TMDCs）、过渡金属三硫化物（TMTCs）、III-VI族化合物、IV-V族化合物、IV-VI族化合物以及三元化合物等。它们不仅在光学和电学行为上表现出各向异性，还在拉曼光谱、光致发光（PL）光谱、材料导电性和热导率等方面呈现出显著的平面内各向异性。例如，黑磷具有可调谐的直接带隙，其电子和光学导电性表现出明显的各向异性；而ReX₂（X=S，Se）则因其独特的稳定扭曲1T相结构，展现出显著的平面内各向异性。

图1 综合总结图涵盖偏振敏感光电探测器的分类和质量因子、表征二维材料各向异性的光学和电学方法以及各向异性二维材料的分类

为了深入理解这些材料的各向异性特性，研究人员采用了多种光学和电学表征技术。电子能带结构分析、电导率和场效应迁移率测量、线性二色性、角度分辨光致发光（PL）、方位角依赖的反射差显微镜（ADRDM）、角度分辨偏振拉曼光谱（ARPRS）和二次谐波生成等技术，为揭示各向异性材料的内在特性提供了有力支持。这些技术不仅能够全面评估材料的平面内各向异性，还能使材料的独特行为和潜在应用变得可视化。

图2 角分辨（a）光学吸收率、反射、透射和光致发光实验装置的示意图。（b）–（d）角度分辨偏振拉曼光谱和二次谐波产生的三种实验装置。

基于各向异性二维材料的偏振光探测器，其工作原理主要依赖于材料的各向异性特性。这些探测器能够直接将光的偏振信息转化为电信号，无需额外的偏振片，从而显著减小了设备尺寸并提高了集成能力。文章详细描述了不同结构设计的偏振光探测器的工作原理，包括基于原始材料、缺陷和掺杂、异质结和同质结以及人工修饰的偏振光探测器。这些探测器在检测波长、响应度、探测度和各向异性比等方面表现出色，为实现高性能偏振光探测提供了多种解决方案。

图3 （a） 使用520和830nm线偏振激光器在极坐标系中绘制了GeAs偏振敏感光电探测器的光电流。（b）GeAs的偏振分辨吸收光谱，光谱范围为400至2000 nm。（c） 基于2H-In₂Se₃的偏振敏感光电探测器的示意图和光电流作为偏振角函数的极坐标图。（d） 范德瓦尔斯接触的Au-ReSe₂-Ag光电二极管示意图。三种不同设备的Isc随入射功率密度（P）变化的对数图，以及该设备的基准测试，表明与其他基于2D材料的光电探测器相比，Isc接近于1。（e）成像目标示意图，目标上方有散射介质。用于计算DoLP的偏振成像机制示意图以及S0和DoLP的归一化成像对比度。

尽管各向异性二维材料在偏振光探测领域取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。例如，如何进一步提高材料的稳定性和制造工艺，以实现更小直径和更光滑的材料，从而增强传感器的灵敏度；如何通过纳米技术提高探测器的集成密度和并行检测性能等。未来的研究方向将集中在开发新型的各向异性二维材料，探索其在不同应用领域的潜力，以及优化探测器的设计和性能。

这篇综述为我们提供了一个全面而深入的视角，以探索各向异性二维材料在偏振光探测领域的应用前景。从材料的基本结构和性能，到先进的表征技术，再到偏振光探测器的设计和应用，文章不仅总结了当前的研究进展，还为未来的研究方向提供了宝贵的建议。随着科技的不断进步，我们有理由相信，各向异性二维材料将在偏振光探测领域发挥越来越重要的作用，为相关领域的技术革新和应用拓展带来无限可能。