华中科技大学等基于准二维碲烯材料实现稳定的室温中红外偏振成像

华中科技大学叶镭副研究员、普渡大学Wenzhuo Wu和Gary J. Cheng教授、中科院上海技术物理研究所胡伟达研究员近日共同在Nature Communications上发表题为“Stable mid-infrared polarization imaging based on quasi-2D tellurium at room temperature”的研究论文,该研究工作利用二维碲烯材料优良的中红外偏振探测性能,实现了稳定的室温偏振成像应用。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16125-8

散射环境下的红外偏振成像器件能够提高成像的对比度,在航空、生物成像、国防、工业等领域具有重要的应用。下一代红外偏振成像器件需要满足小型化、集成化、柔性、稳定性、室温探测等要求,这些要求能够被二维材料的优良特性所满足。

目前部分具有面内各向异性的二维材料已经能够实现偏振红外探测,然而此类二维材料仍然存在不足之处,包括大气环境下的器件稳定性差、波长响应范围窄、偏振程度低等。因此在散射环境下基于二维材料的偏振特性实现对比度增强的成像应用仍然存在挑战。

研究人员深入研究了二维碲烯材料的光电响应特性(图1)。二维碲烯材料在室温大气环境下具有极高的迁移率(~9×102 cm2V-1s-1);在可见光至中红外宽波长范具有优良的光电流响应,实现了高于~3.53×102 AW-1的响应度和高于3.01×109的探测率;同时其优良的光电探测性能在室温大气环境下能够稳定保持较长时间;此外碲烯独特的各向异性晶体结构能够满足具有偏振特性的电学响应和光电流响应,在2.3 μm激发光下偏振比~8,更长的波长激发下偏振比能够超过10,在当前二维材料领域处于领先水平。

图1 二维碲烯的偏振光电流响应

基于二维碲烯的偏振光电响应,能够有效实现在散射环境下对比度增强的成像应用(图2)。在2.3 μm激发光下线偏振度(DoLP)提高至超过0.8,而作为对比,不具有偏振特性的2H相二碲化钼(MoTe2)材料在散射环境中DoLP较差。同时利用碲烯材料的偏振特性,无需在器件表面集成偏振片或光栅结构,简化了器件制造工艺,直接利用单一碲烯器件就能够实现斯托克斯矢量中前三个分量的探测,而传统偏振成像阵列需要四个器件单元才能实现斯托克斯矢量中前三个分量的探测,因而碲烯有望进一步提高成像阵列的集成度。在未来实现材料大面积制备工艺后,二维碲烯能够推进下一代偏振红外探测设备的研发及应用。

图2 散射环境下基于二维碲烯的偏振特性实现对比度增强的红外成像应用

该研究工作由华中科技大学叶镭副研究员、普渡大学Wenzhuo Wu和Gary J. Cheng教授、中科院上海技术物理研究所胡伟达研究员作为共同通讯作者。华中科技大学童磊、黄鑫宇和中科院上海技术物理研究所王鹏为共同第一作者。华中科技大学为第一完成单位。该研究工作得到了国家自然科学基金项目的支持。

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