集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器及制备方法

本发明涉及光电，特别是涉及一种集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器及制备方法。

背景技术：

1、偏振作为光的主要物理量，几乎所有的光学科学和技术都对偏振感兴趣。利用小型化设备进行有效的偏振检测一直是人们追求的目标。片上偏振检测器已是极具前途的发展方向。除了线性偏振检测之外，圆偏振(或光椭圆度)的检测对于手性分子识别、磁场传感、量子通信和密码学等领域是必不可少的。

2、传统的解决方案依赖于包含偏振器和波片的外部光学系统，光椭圆度检测器的复杂性和尺寸庞大是显而易见的。尽管作为平面光学器件的超表面可以通过替换传统的偏振器或波片而潜在地缩小光椭圆度检测器的占地面积，但是无法避免能量损失和对准困难的问题。虽然部分研究已经提出了具有圆形二向色性或圆形光电流效应的材料用于无光学镜片的光椭圆度检测。然而，这些材料并不常见，且它们的光椭圆度辨别能力相当低。在这种情况下，将等离子体手性结构与光电检测材料直接集成，以实现紧凑的光椭圆度检测器是令人瞩目的、需要深入研究的方向。集成的等离子体手性结构不仅提供圆偏振分辨，而且通过增强的局部场增强检测材料的吸收率。然而，最大的问题是光椭圆度辨别不足。圆偏振消光比(circularpolarizationextinctionratio，cper)定义为光电探测器工作在两种不同旋向的圆偏振光入射时产生的光响应的比值，该比值大于1。对于传统圆偏振片，该参数通常高于1000但是超表面器件或单独使用圆形二向色性或圆形光电流效应的材料制备的探测器的cper通常低于5，从而不能有效地抑制对非目标旋向的圆偏振光响应。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器及制备方法，以解决片上圆偏振探测的圆偏振消光比低的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器，包括：自下至上的底部衬底层、金属反射层、电介质层、电极层以及二维材料层；其中，所述电极层以及所述二维材料层的上下顺序能够相反设置；所述电极层包括对称设置的集成在源极的金属二维手性超材料以及集成在漏极的金属二维手性超材料；所述集成在源极的金属二维手性超材料以及所述集成在漏极的金属二维手性超材料为互为相反手性结构的z型金属光学天线阵列；

4、当集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器工作在零偏压状态，光响来自于源、漏电极金属与二维材料构成的肖特基结诱导的光伏效应、热电子注入以及光热电效应；通过移动入射光斑配置所述源极以及所述漏极处两个所述z型金属光学天线阵列的入射光的强度比，在任一特定旋向的旋光照射下，使所述源极与所述漏极产生大小相等、方向相反的光电流，从而使光电探测器输出的净光电流为零，且噪声下降1到2个量级；而在另一旋向的旋光照射下，所述光电探测器持续稳定输出光电流。

5、可选的，所述底部衬底层为所述光电探测器的支撑层；

6、所述底部衬底层的材料为半导体工艺基底材料；所述半导体工艺基底材料包括硅材料，砷化镓材料以及氮化镓材料。

7、可选的，所述金属反射层的厚度不小于电磁波在所述金属反射层中趋肤深度的两倍。

8、可选的，所述电介质层为工作波段透明的介质；

9、所述电介质层的厚度小于探测波长的四分之一。

10、可选的，所述电极层，具体包括：源极、漏极以及金属二维手性超材料；

11、所述源极以及所述漏极对称设置；所述源极以及所述漏极之间设有沟道；

12、所述金属二维手性超材料分别集成在所述源极以及所述漏极。

13、可选的，所述二维材料设于所述金属二维手性超材料上，所述二维材料用于跨越所述沟道并电连接所述源极以及所述漏极。

14、可选的，所述电极层的厚度不小于电磁波在所述电极层中趋肤深度的两倍。

15、一种集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器的制备方法，包括：

16、使用电子束蒸发或者热蒸发技术在底部衬底层上生长金属反射层；

17、使用原子层沉积、电子束蒸发以及磁控溅射在所述金属反射层的表面生长电介质层；

18、使用电子束光刻技术在所述电介质层的表面定义图案，并使用电子束蒸发技术沉积金属，通过剥离技术得到所需的电极层；所述电极层包括对称设置的集成在源极的金属二维手性超材料以及集成在漏极的金属二维手性超材料；所述集成在源极的金属二维手性超材料以及所述集成在漏极的金属二维手性超材料为互为相反手性结构的z型金属光学天线阵列；

19、使用机械剥离法从单晶样品中获取所述二维材料，或使用生长手段获得所述二维材料，并使用干法转移技术将所述二维材料转移到所述电极层之上，跨越所述源极与所述漏极之间的沟道，电连接所述源极与所述漏极；所述生长手段包括化学气象沉积以及物理气相沉积。

20、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器及制备方法，当集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器工作在零偏压状态，光响来自于源、漏电极金属与二维材料构成的肖特基结诱导的光伏效应、热电子注入以及光热电效应；通过移动入射光斑配置所述源极以及所述漏极处两个所述z型金属光学天线阵列的入射光的强度比，当一定方向的旋光照射下，源极与漏极产生大小相等、方向相反的光电流相互抵消，从而使整体探测器输出的净光电流为零，且噪声下降1到2个量级。另一方向的旋光照射下，一端电极产生的光电流大于另一端电极产生的光电流，整体探测器持续稳定输出一定的光电流，探测器表现出超高的圆偏振光分辨能力，且在合适的波长范围内得到超高消光比。

技术特征：

1.一种集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器，其特征在于，包括：自下至上的底部衬底层、金属反射层、电介质层、电极层以及二维材料层；其中，所述电极层以及所述二维材料层的上下顺序能够相反设置；所述电极层包括对称设置的集成在源极的金属二维手性超材料以及集成在漏极的金属二维手性超材料；所述集成在源极的金属二维手性超材料以及所述集成在漏极的金属二维手性超材料为互为相反手性结构的z型金属光学天线阵列；

2.根据权利要求1所述的集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器，其特征在于，所述底部衬底层为所述光电探测器的支撑层；

3.根据权利要求1所述的集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器，其特征在于，所述金属反射层的厚度不小于电磁波在所述金属反射层中趋肤深度的两倍。

4.根据权利要求1所述的集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器，其特征在于，所述电介质层为工作波段透明的介质；

5.根据权利要求1所述的集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器，其特征在于，所述电极层，具体包括：源极、漏极以及金属二维手性超材料；

6.根据权利要求5所述光电探测器，其特征在于，所述二维材料设于所述金属二维手性超材料上，所述二维材料用于跨越所述沟道并电连接所述源极以及所述漏极。

7.根据权利要求5所述光电探测器，其特征在于，所述电极层的厚度不小于电磁波在所述电极层中趋肤深度的两倍。

8.一种集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开一种集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器及制备方法。该器件包括金属反射层、电介质层、电极层以及二维材料层；电极层包括对称设置的分别与源极和漏极集成的互为相反手性的Z型金属光学天线阵列；该器件工作在零偏压状态，光响应来自于源、漏电极与二维材料构成的肖特基结诱导的光伏效应、热电子注入、光热电效应等；通过移动入射光斑配置源、漏电极处两组光学天线阵列接收入射光的强度比，可以在任一特定旋向的旋光照射下，使源、漏极产生大小相等、方向相反的光电流，从而使净输出光电流为零，且噪声下降1到2个量级；而在另一旋向的旋光照射下，稳定输出光电流。本发明在一定的波长范围内都具有超高的圆偏振光分辨能力。

技术研发人员：周靖,布勇浩,任显松,邓杰,胡伟达,陈效双,陆卫
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13