Newton：基于柔性螺旋装饰钙钛矿二极管的高性能圆偏振光探测

摘要

摘要图
本文提出了一种新型圆偏振光探测器，其核心是结合柔性螺旋层与钙钛矿光电二极管的设计。通过对左旋和右旋圆偏振光的精确识别，该探测器在宽波长范围内展现了优异的光电响应各向异性 (\\(g_{ph}=1.96\\))。其柔性与集成化特点适用于各种可穿戴设备与偏振成像应用。

关键词

  • 圆偏振光探测 (Circularly Polarized Light Detection)
  • 钙钛矿光电二极管 (Perovskite Photodiodes)
  • 柔性螺旋层 (Soft Helix Layer)
  • 定量极化状态检测 (Quantitative Polarization State Detection)
  • 光电响应各向异性 (Photocurrent Anisotropy)
  • 集成化光学系统 (Integrated Optical Systems)
  • 可弯曲设备 (Flexible Devices)

研究背景

圆偏振光在量子通信、光学计算与成像等领域具有重要意义，但现有的圆偏振光探测器受限于器件集成化与灵敏度不足，难以满足未来光电子设备的需求。传统探测方法依赖于复杂光学元件，增加了设备的体积与复杂性。

创新点

  • 引入柔性螺旋层增强光电响应的各向异性 \\(g_{ph}\\)。
  • 实现圆偏振光定量极化状态的检测。
  • 探测器支持宽光谱范围与柔性设备应用。
  • 构建了用于圆偏振光成像的像素化集成阵列。
  • 在灵敏度与设备小型化上显著优于传统技术。

研究内容

本研究通过优化钙钛矿层的质量与均匀性，设计了一种基于柔性螺旋层和钙钛矿二极管的圆偏振光探测器。

图1
图1 | CPL检测策略的示意图。

(a) 基于传统光学系统和本征手性敏感半导体的CPL检测示意图。
(b) 结合软螺旋层和钙钛矿光电二极管的PeLC-PD器件配置，用于CPL检测，展示了显著的手性光学区分能力、广泛的检测波长范围、易于微型化和集成化以及定量检测线性、椭圆和圆偏振态的能力。
(c) 配对PeLC-PDs在成像阵列中识别和定量检测CPL的原理，输出信号可用于构建包含圆偏振信息的高分辨率图像。

图2
图2 | 筛选HTL以提高钙钛矿光电二极管的检测性能。

(a) 钙钛矿光电二极管的器件结构及三种HTL（PEDOT:PSS、PTAA和MPA-CPA）的分子结构。
(b) 基于三种HTL的钙钛矿光电二极管的EQE光谱。
(c) 从EQE获得的积分电流密度的统计分布（每种HTL对应20个器件）。
(d) 基于三种HTL的钙钛矿光电二极管的暗电流密度-电压（J-V）曲线。

图3
图3 | PeLC-PD器件的示意图及性能。

(a) PeLC-PD器件通过结合软螺旋层（R-CLC或S-CLC）和钙钛矿光电二极管构建。
(b) 响应绿色光的CLC层的透射光谱。
(c) 绿色光响应CLC层及纯钙钛矿薄膜的CD光谱。
(d) 在0V偏置下，S-CLC基PeLC-PD器件在不同强度的L-CPL和R-CPL（从10-1到103 mW/cm2）下的光电流响应。
(e) 在交替R-CPL和L-CPL辐照下，S-CLC基PeLC-PD器件的时间相关光电流响应。

图4
图4 | 用于偏振态定量检测的器件工程。

(a) 配对PeLC-PDs的工作原理及机制，通过对比光电流输出，实现偏振态定量检测。
(b) 响应绿色光的配对PeLC-PD的照片。
(c) 配对PeLC-PDs中R-CLC和S-CLC的偏振光学显微镜图像，显示了均匀的油丝状纹理。
(d) 配对PeLC-PDs在0V偏置下，通过旋转线性偏振片和QWP之间的角度从0°到360°，在绿色激光（1 mW/cm2，532 nm）下测得的光电流响应，并绘制在极坐标系统中。
(e) 配对PeLC-PDs在不同光强下的L-CPL和R-CPL下的光电流响应。
(f) Poincare球表示法中的偏振态图像。

图5
图5 | 可调检测波长范围与柔性PeLC-PD器件。

(a) 蓝光和红光响应的PeLC-PD器件照片，比例尺：5 mm。
(b) 在反射模式下测量的蓝光和红光响应PeLC-PD器件中CLC层的偏振光学显微镜图像，比例尺：100 µm。
(c) 基于蓝光和红光响应PeLC-PD的偏振依赖光电流响应，绘制在极坐标系统中。实线和虚线分别表示基于R-CLC（右侧）和S-CLC（左侧）的器件在不同极化角度下的光电流。激光波长为405 nm和633 nm，功率为1 mW/cm2。
(d) 蓝光响应PeLC-PD从偏振光电流中提取的PI值（黑点）与从Poincare球表示法中提取的S3值（浅色线）的比较。
(e) 绿色光响应PeLC-PD从偏振光电流中提取的PI值（黑点）与从Poincare球表示法中提取的S3值（浅色线）的比较。
(f) 红光响应PeLC-PD从偏振光电流中提取的PI值（黑点）与从Poincare球表示法中提取的S3值（浅色线）的比较。
(g) 响应绿色光的柔性PeLC-PD器件照片。
(h) 在L-CPL和R-CPL不同强度下，柔性PeLC-PD的光电流响应（0 V偏置）。
(i) 在L-CPL和R-CPL辐照下柔性PeLC-PD光电流随强度变化的线性响应曲线。
(j) 柔性PeLC-PD器件基于偏振光电流对极化角变化的响应曲线，显示其在任意偏振态光检测中的定量能力。

图6
图6 | PeLC-PD阵列器件用于圆偏振成像。

(a) PeLC-PD阵列器件的照片。
(b) PeLC-PD阵列器件用于圆偏振成像的示意图。
(c) 和 (d) 矢量光束中圆偏振态的空间分布示意图。
(e) 和 (f) 通过左旋圆偏振片检测矢量光束的CMOS相机图像。
(g) 和 (h) 通过左旋圆偏振片检测矢量光束的光束分析仪图像。
(i) 和 (j) PeLC-PD阵列检测矢量光束的图像结果，成功还原光场的圆偏振信息。

结论与展望

本研究展示了结合柔性螺旋层与钙钛矿二极管的高性能圆偏振光探测器，解决了传统技术在灵敏度与集成化方面的难题。

论文直达

原文标题：High-Performance Integrated Circularly Polarized Light Detection Using Soft-Helix-Decorated Perovskite Diodes

Newton, 2025, 1, 100003.

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