Advanced Functional Materials：利用可规模化石墨烯–金属红外光电探测器实现重构式偏振测量

研究背景

自动驾驶、机器人和物联网的快速发展要求从光学场景中快速、深入地提取信息，由此催生了智能光学传感器的概念。与仅感知光强的传统传感器不同，智能传感器还能实现实时处理、图像分类与编码、事件探测，以及对光谱和偏振的重构。其中，可调式智能传感器通过实时改变控制参数（通常为电压）来改变波长与偏振相关的响应度，再由不同控制参数下测得的光信号计算重构光谱、偏振和光强，具有更强的小型化潜力。

然而，迄今为止的单器件光谱仪和偏振仪大多基于范德华薄片及其异质结构实现，这种堆叠工艺难以扩展到图像传感器阵列。可规模化材料平台的缺失阻碍了重构式偏振测量在低能见度高对比成像、材料缺陷检测、偏振复用通信、手性分析以及椭偏测量等领域的应用。此前虽有工作报道过石墨烯–金属探测器中栅压可调的偏振对比度，但由于对比度可调性弱或可调区间内光电压过小，始终未能实现真正的偏振重构，其背后的物理机制与数据处理流程也尚未明确。

成果简介

近日，莫斯科物理技术学院 Dmitry Svintsov 实验室主任与Valentin Semkin助理研究员等人在 Advanced Functional Materials 上发表论文，利用基于栅控石墨烯–金属结的常规光电探测器实现了中红外线性偏振光的重构式偏振测量。该方法利用栅压对偏振对比度的调控，仅需在两个不同栅压下读取光电压，即可同时确定入射红外光的功率和偏振角。其物理根源在于电子热点位置随偏振的移动以及栅压对光敏肖特基势垒宽度的调控。

作者引入了描述偏振重构能力的品质因子 Q，并据此选取最优工作栅压对。在楔形金属超表面结构的 CVD 石墨烯探测器中，重构偏振角的相对误差低于 8.2%。研究进一步证明了该效应的普适性：无论是断开的超表面结构、非平行源漏电极结构，还是 hBN 封装的宽度不对称电极结构，都表现出栅压与偏振响应相互“纠缠”的特征，从而具备偏振分辨能力。最后，作者建立了考虑空间变化热电势分布的最小物理模型，成功复现了偏振不敏感栅压点与偏振对比度反号等关键实验特征。

图文导读

图1 栅控石墨烯探测器重构式偏振测量的原理与演示。(a) 学习阶段：在已知偏振和光强下标定器件响应度随偏振角和栅压的变化；(b) 重构阶段：在两个栅压下读取光电压，即可确定未知光的功率与偏振角；(c) 几何图案化电极石墨烯探测器的光电压随栅压和偏振的变化，插图为器件照片，标尺 20 μm；(d) 计算得到的偏振分辨品质因子 Q 随控制栅压对的分布，彩色圆点为最优工作点；(e) 不同栅压下光电压随 cos²θ 的线性关系，偏振对比度随栅压大幅变化；(f, g) 在栅压对 {−5, −29} V 和 {8.5, 29} V 下的偏振角重构结果，灰点为标定角度，橙点为重构角度，误差棒为 95% 置信区间。

图2 重构式偏振测量在不同石墨烯光电探测器中的普适性。(a–c) 三种不同结构探测器在不同栅压下实测的偏振相关光电压，均表现出栅压可调的偏振对比度；(d–f) 对应三种探测器计算得到的偏振重构品质因子 Q；(g) 直接沉积于石墨烯上的反演不对称金属超表面探测器，标尺 2 μm；(h) 具有非平行源漏电极和顶栅的探测器，标尺 20 μm；(i) 源漏电极宽度不同的 hBN 封装石墨烯探测器，标尺 50 μm，箭头指示 θ = 0° 的偏振方向。

图3 金属–石墨烯界面偏振分辨探测的理论建模。(a–d) 中红外照射下金属–石墨烯结处各物理量的微观分布：(a) 局域吸收率，(b) 光致电子温升，(c) 电子势能，(d) 局域热电势；(e) 由 (a–d) 计算得到的不同线偏振角下光电压随栅压的变化，插图为偏振比 PR(θ) = Vph(θ)/Vph(θ = 0)，虚线为石墨烯体区贡献的光电压；(f) 由 (e) 中光电压计算的偏振重构品质因子 Q。

总结展望

本文证明了基于栅压可调金属–石墨烯结的探测器可实现中红外重构式偏振测量，其核心在于响应度对栅压和偏振依赖关系的“纠缠”，即栅压可控地改变偏振对比度，从而在不同偏振对比状态下读出光响应即可唯一确定光功率和线偏振角。作者指出，该功能可能是红外波段所特有的：局域吸收增强尺度（约 λ₀/10 ~ 1 μm）与光敏肖特基势垒宽度（约 0.1~0.5 μm）相当；在可见光波段热载流子热点仅有数十纳米、始终落在势垒内，而在太赫兹波段整个沟道都处于电极近场区，偏振灵敏度由天线几何决定，均不受栅压调控。

目前器件的灵敏度尚属中等，楔形器件的电压响应度为 66 mV/W，噪声等效功率达 260 nW/√Hz，在 10 Hz 带宽、Q = 0.5 条件下偏振重构所需最小光功率约为 20 μW，已可满足带有背光源的研究型偏振测量应用；引入背反射器或背衬底刻蚀有望在不影响偏振对比度可调性的前提下进一步提升响应度。值得注意的是，本工作中大多数器件基于可规模化的 CVD 石墨烯，而高质量 hBN 封装样品并未表现出更优的重构品质，说明该性能主要取决于石墨烯–金属结的几何构型而非材料质量。由于该效应源于纯电动力学的局域场增强与抑制，作者预期类似的偏振分辨功能同样可在二硒化钯、黑磷和碲镉汞量子阱等其他红外敏感二维电子体系中实现。

文献链接

https://doi.org/10.1002/adfm.78696