南昌大学&国家纳米科学中心ACS Photonics:手性碲纳米线薄膜中本征光伏效应增强的偏振探测

研究背景

偏振作为光的基本属性，是机器视觉、生物医学成像、量子通信等领域的重要信息载体。这些技术的发展对光电探测器提出了迫切需求：既要便于片上集成，又要能在单个器件中高效区分线偏振光（LPL）与圆偏振光（CPL）。然而，传统半导体光电材料本身无法直接分辨偏振态，只能依赖外置偏振元件与探测器的分立组合，不仅带来显著光损耗，还从根本上阻碍了系统集成与微型化。各向异性材料能够直接解码光场矢量、省去外部光学元件，因而在片上集成方案中备受关注，但这类本征探测器的区分性能（消光比、不对称因子）长期受限于载流子提取效率低下，尤其缺乏可同步放大偏振特异信号的内建增益机制。以二硫化铼、黑磷为代表的二维材料在线偏振探测中灵敏度高，却缺乏响应圆偏振光的物理通道；钙钛矿可经手性工程用于圆偏振探测，但本征各向异性弱，且离子迁移与环境稳定性差。因此现有偏振探测器往往只能胜任单一功能，或在追求双功能时付出明显的性能折衷。

碲是一种窄带隙半导体（带隙约 0.35 eV），空穴迁移率高（约 10³ cm² V⁻¹ s⁻¹）。其原子构成本征手性的螺旋三角链，并通过范德华相互作用组装成一维纳米线。这一独特结构同时赋予两种互补的偏振敏感机制：各向异性晶格带来各向异性电导，使材料对线偏振光具有选择性吸收与响应；螺旋链固有的手性则诱导贝里曲率偶极效应，为与圆偏振光的相互作用提供物理通道。此外，碲还具有垂直于 c 轴的室温铁电极化，可产生可观的内建电场。这些特性共同使碲成为双模态偏振探测的理想平台。

成果简介

近日，南昌大学王启胜教授、成者副教授与国家纳米科学中心王振兴研究员，基于高取向碲纳米线薄膜，通过对本征内建电场的工程调控，在单个器件中同步实现了线偏振与圆偏振的双模态探测。研究团队将两端器件的电极设计在垂直于螺旋链方向（c 轴）的 b 轴上：沿 b 轴的室温铁电极化产生内建电场，增强了体光伏效应，驱动漂移主导的载流子分离，从而为偏振敏感光响应提供内建增益。

薄膜以分子束外延生长于退火后的 m 面蓝宝石衬底，纳米线沿本征螺旋链方向单向致密排列。透射电镜与 X 射线衍射证实其为单晶，Lotgering 因子高达 0.97，晶向高度一致；原子尺度上可观察到左手与右手螺旋结构共存的手性特征。在十字形电极器件上对比 b、c 两轴的电学与光电行为发现：b 轴零偏压暗电流仅 4.29×10⁻¹⁰ A，在 20.6 μW 激光下净光电流达 2.95×10⁻⁷ A，而 c 轴暗电流高出近两个数量级；b、c 轴净光电流之比约 4.2，表明 b 轴电荷分离效率更高。功率相关测试中短路电流遵循幂律关系（低功率下 β≈1、高功率下 β≈0.5），证实体光伏效应是本征光伏信号的主要来源；P–E 电滞回线进一步确认 b 轴保留了本征铁电性，而 c 轴无净铁电响应。得益于铁电极化场与体光伏场叠加形成的更强内建电场，b 轴器件展现出优异的自供电光伏效应，响应时间约 110 μs，比探测率达 8.29×10⁹ cm Hz¹ᐟ² W⁻¹。

在 1550 nm 照明下，器件光电压随偏振角呈明显的余弦平方关系，b 轴线偏振消光比达 3.48，优于碲纳米管（2.05）、碲纳米片（2.39）等多数本征各向异性材料。圆偏振探测中，g 因子随入射角满足正弦关系，b 轴器件的 g 因子可在 θ=−40° 的 −0.65 与 θ=40° 的 0.60 之间连续可逆调控，正入射时归零，而 c 轴 |g| 始终低于 0.1；零偏压下最大圆偏振不对称因子 |g| 达 0.65。基于上述双模态能力，团队搭建了光偏振编码通信原型：将激光调制为 0°/90° 线偏振或左旋/右旋圆偏振序列以编码二进制信息，经器件与锁相放大器实时解调，成功还原了 ASCII 字符“N”“C”“U”的比特序列。同一器件无需任何硬件重构，即可兼容解码线偏振与圆偏振两个独立维度的信息。

图注说明

图1 高取向碲纳米线薄膜的表征及面内各向异性电学性质。(a) 大面积薄膜的 SEM 图，标尺 10 μm。(b) 单根纳米线的 TEM 表征，上图为沿纳米线长轴的 HRTEM 像及选区电子衍射花样，下图为横截面 HRTEM 像。(c) 薄膜 XRD 谱。(d) 十字形电极器件结构与光电测量示意图。(e,f) 分别沿 b 轴与 c 轴测得的 I–V 特性曲线。(g,h) 分别沿 b 轴与 c 轴、于 10 kHz 测得的极化–电场（P–E）电滞回线。

图2 器件偏振探测性能及其机理。(a) 1550 nm 激光下光电压随偏振角变化的极坐标图。(b) 光电压角度依赖关系的拟合曲线，实验点与拟合曲线高度吻合。(c) b 轴器件光电流与消光比随入射光功率的变化（0° 与 90° 偏振）。(d) 本工作消光比与已报道本征各向异性材料偏振探测器的对比。(e) 自发极化诱导能带均匀倾斜及各向异性输运机理示意图。

图3 圆偏振探测性能表征。(a,b) 电极分别沿 c 轴与 b 轴、入射角 θ=±40° 时，归一化光电压随四分之一波片旋转角的极坐标图。(c) b 轴器件在 θ=±40° 的光电压响应及拟合曲线。(d) b、c 轴器件 g 因子随入射角 θ 的变化。(e) 圆二色光电压与 g 因子随入射光功率的变化。(f) 本工作与已报道手性/各向异性材料探测器的性能对比。

图4 光偏振编码通信原型演示。(a) 偏振编码光通信实验示意图：入射光经半波片或四分之一波片调制为携带二进制信息的偏振态序列，由器件转换为电信号并按阈值判决输出比特。(b–d) 分别为 ASCII 字符“N”“C”“U”的实时解码结果，上半部为基于 0°/90° 线偏振编码的器件响应与解调比特流，下半部为基于左旋/右旋圆偏振编码的对应结果。

总结展望

本工作通过将电极配置在垂直于碲纳米线螺旋链方向的 b 轴上，有效利用薄膜内强面内内建电场，显著提升了光生载流子的分离与收集效率，从而在单个器件中同步实现了高性能的线偏振与圆偏振探测：线偏振消光比达 3.48，最大圆偏振不对称因子 |g| 达 0.65，超越了多数本征各向异性材料体系。电学测量与偏振区分实验共同表明，沿 b 轴的内建电场是驱动这一高性能的核心因素——它既提升整体光响应，又强化了对偏振调制信号的提取能力。在此基础上，团队进一步演示了器件在光偏振编码通信中的应用，验证了其双模态信息解调能力与实用潜力。未来若将此类像素集成为阵列并耦合读出电路，有望实现实时偏振成像，为面向机器视觉、光通信与遥感的紧凑多功能光子系统开辟新途径。

文献链接

Intrinsic Photovoltaic Effect-Enhanced Polarimetric Detection in Chiral Tellurium Nanowires Thin Film（ACS Photonics, 2026）

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6c00776