近期，中國科學院長春光機所在ACS Photonics發表了題為“Linearly/Circularly Polarization-Sensitive Photodetector Enabled by Vertically Stacked P-Semimetal-N (PMN) Dual Schottky junction for Information Transmission”的研究論文。本文第一作者為博士研究生趙星宇，第二作者為張楠副研究員，通訊作者由李紹娟、黎大兵、張楠共同擔任。該研究展示了一種基于垂直堆疊P型半導體-半金屬-N型半導體（PMN）雙肖特基結的線性/圓偏振雙模敏感光電探測器，為實現片上集成、高靈敏、低噪聲的全斯托克斯偏振測量提供了可行路徑。該器件將暗電流抑制了7個數量級，光開關比達到104，并在1064-1550 nm近紅外波段展現出明確的線偏振與圓偏振分辨能力。該技術成功應用于高對比度偏振成像、偏振編碼光通信及雙波長圖像加密處理，展現了其在信息傳輸與信息安全領域的應用潛力。
在高速光通信、光學加密、自動駕駛以及量子信息處理等領域，對能夠直接分辨光偏振態的超緊湊、高效率光電探測器需求迫切。傳統偏振探測技術嚴重依賴外部光學元件將偏振信息轉換為強度信號，導致系統復雜、體積龐大且光能損耗顯著。盡管具有本征各向異性的二維半金屬為實現無需元件的集成化偏振探測提供了可能，但其固有的零帶隙特性導致暗電流過高、載流子復合率大，使得微弱的偏振相關光信號被淹沒，無法實現有效的偏振分辨。
器件結構與能帶原理圖
為解決上述難題，研究團隊設計了PMN雙肖特基異質結。該結構的核心優勢在于其在MoTe2溝道層兩側形成了兩個背對背的肖特基勢壘。這一架構產生了協同增強效應：首先，雙勢壘極大地抑制了載流子的自由擴散，將暗電流從微安量級（10-6 A）壓制至亞皮安量級（10-13 A），降幅達7個數量級。其次，由能帶彎曲產生的內建電場與外加電場協同作用，不僅有效分離了光生電子-空穴對，還驅動它們分別向WSe2和MoS2層快速定向傳輸，顯著降低了載流子復合概率，從而實現了偏振信號的高效提取。
PMN光電探測器在1550 nm下的偏振探測性能、成像與與圓偏振通信應用
得益于該設計，探測器在近紅外通信波段表現出卓越的綜合性能：光開關比達到102至104，響應度為0.137 A/W，比探測率達3×1010 Jones。最關鍵的是，該器件繼承了Td-MoTe2材料因對稱性破缺和拓撲能帶特性帶來的本征偏振敏感性，無需任何外部光學元件即可同時分辨線偏振和圓偏振光，線偏振比最高達3.0，并能觀測到明確的圓偏振光電流響應（11 pA）。
偏振信息加密
在信息安全方面，團隊利用了器件對1064 nm和1550 nm光在不同偏振角下的響應差異，實現了雙波長光學加密。在特定偏振角下，攜帶信息的信號光被背景光完全掩蓋，經加密的圖像被卷積神經網絡識別的準確率低于11%；而在解密偏振角下，圖像清晰可辨，識別率超過95%，展現了卓越的加密性能。
該研究提出的PMN雙肖特基結架構，通過巧妙的能帶設計與異質結協同調控，成功攻克了半金屬偏振光電探測中高暗電流與低信號提取效率的核心挑戰。這項技術為實現高靈敏度、高能效的片上全斯托克斯偏振探測提供了可靠的平臺，將極大地推動下一代集成化光電系統在信息通信、傳感與安全領域的發展。
