[发明专利]一种圆偏振光探测器件及其制备方法

说明书

本发明公布了一种圆偏振光探测器件及其制备方法。该圆偏振光探测器件包括衬底、金属反射层、介质层、单层过渡金属硫族化合物、手性表面等离激元超表面和电极，集成在单层过渡金属硫族化合物上的手性表面等离激元超表面能够对入射圆偏振光产生选择性的吸收增强，从而对单层过渡金属硫族化合物在圆偏振光入射下产生的光生载流子数目进行调制，并在外部偏置电压的作用下，对应不同圆偏振光可以产生不同大小的可测量光电流，从而实现对不同圆偏振光的光电探测和区分。本发明是首个在单一平面型器件中实现圆偏振光探测功能的集成光电探测器件，并且工作在可见光波段，具有厚度超薄、响应速度快和便于集成的特点。

技术领域

本发明涉及一种新型的光电探测器件，特别涉及一种基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件，可以实现在单一平面型光电器件上对圆偏振光的光电探测。

背景技术

圆偏振光作为一种基本的光学偏振态，因其具备的独特物理性质，在光学通信、量子光学技术以及生物和化学传感等方面具有广泛的应用。随着光学系统的小型化和集成化，传统的通过四分之一波片、偏振片和光电探测器进行圆偏振光探测的方法无法适用于小型的集成光学系统。因此，实现便于集成化的小型圆偏振光探测器成为亟待解决的问题。

近年来，以单层二硫化钼(MoS₂)、二硫化钨(WS₂)、二硒化钼(MoSe₂)等为代表的单层过渡金属硫族化合物因其良好的光电子学特性吸引了越来越多的研究兴趣。相比于传统块体光电子学材料，单层过渡金属硫族化合物在保持优秀的光电子学性质的同时也具备厚度超薄的几何特性和良好的机械性能。另外，它们的表面自然地钝化，没有悬挂键，使其很容易与金属微纳结构和光学波导进行集成。单层过渡金属硫族化合物作为一种半导体材料，其具备的这些优点使其在实现小型化和集成化的光电探测器件方面具有极大的应用潜力。

超表面材料(Metasurface)是由亚波长尺度的纳米结构组成的平面型光学和电磁波调控材料。近年来，超表面材料作为一种新型而灵活的电磁波操控材料，吸引了越来越多的研究者的目光。由于其构成单元的几何尺度在亚波长级别，往往能对光波或电磁波产生自然界中材料无法实现的一些特殊效果，比如异常反射折射、偏振转换、光学滤波等等。正因为这些新颖的性质的存在，使得超表面材料在集成光学、材料科学以及纳米科学等多个领域都得到了广泛的关注和研究。由金属纳米结构作为构成单元的等离激元超表面，由于金属结构的等离激元增强特性，其在与光波相互作用时，不仅具备超表面材料的光场调控功能，还能增强材料与光场的相互作用，这对于光电子学应用具有重要意义。另外，等离激元超表面由于是在平面上加工出亚波长结构，目前诸如聚焦离子束刻蚀、电子束曝光等技术都能以极高的精度加工出可见光波段的亚波长结构，可以方便地实现与其他器件的集成。

手性表面等离激元超表面的构成单元为手性金属纳米结构。其中手性起源于结构的镜像对称破缺，导致对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光具有不同的光学吸收率。通过将手性表面等离激元超表面与单层过渡金属硫族化合物相结合构成光电探测器件，可以利用手性表面等离激元超表面调控单层过渡金属硫族化合物对不同圆偏振光的吸收，从而在不同圆偏振光照射下产生不同的光电流响应，即可通过不同的光电响应实现左旋和右旋圆偏振光的区分和探测。由于手性表面等离激元超表面和单层过渡金属硫族化合物都具备超薄的几何厚度，使得这种混合的光电探测器件在具备圆偏振光探测能力的同时也保持了极薄的厚度，在小型化和集成化的新型光电器件方面具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件及其制备方法，实现在集成器件上对圆偏振光的光电探测。

本发明的技术方案如下：