基于MoS2/石墨烯范德华异质结的偏振敏感光电探测器研究

针对传统光电探测器缺乏偏振敏感性的问题，研究人员通过低压化学气相沉积（LPCVD）在石墨烯上生长MoS2薄膜，构建金属-半导体-金属（M?S?M）结构，实现了对圆偏振光的选择性吸收。该研究为高性能偏振光探测和谷电子学应用提供了新思路。

　　

论文解读
光偏振是电磁波的基本特性之一，在遥感成像、生物医学检测等领域具有重要应用价值。然而，传统光电探测器大多只能响应光强信号，无法直接识别偏振信息，通常需要借助复杂的光学元件才能实现偏振探测，这极大增加了系统成本和体积。与此同时，二维材料因其独特的电子能带结构和光学特性，为发展新型光电器件提供了全新平台。其中，单层二硫化钼（MoS₂）因其非中心对称的晶体结构和显著的谷极化效应，表现出对圆偏振光的选择性吸收特性，这使其成为实现偏振敏感光电探测的理想材料。

为解决上述问题，来自国家等离子体物理重点实验室等机构的研究人员通过低压化学气相沉积（LPCVD）技术在石墨烯基底上生长高质量MoS₂薄膜，成功构建了基于MoS₂/石墨烯范德华异质结（vdWs）的偏振敏感光电探测器。研究发现该器件对圆偏振光具有显著的选择性响应，为发展高性能偏振光探测器件提供了新途径。相关成果发表在《Applied Surface Science》上。

关键技术方法
研究采用低压化学气相沉积（LPCVD）法，以MoO₃和硫粉为前驱体，在石墨烯/SiO₂/Si基底上生长MoS₂薄膜。通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征薄膜形貌，拉曼光谱（Raman）和光致发光光谱（PL）分析晶体质量，X射线光电子能谱（XPS）进行表面成分分析。利用导电原子力显微镜（C-AFM）研究圆偏振光吸收特性，最终制备金属-半导体-金属（M?S?M）结构器件测试光电性能。

研究结果
实验部分
通过优化生长参数，在155°C硫化和850°C反应温度下，实现了石墨烯上单层MoS₂的均匀生长。转移后的石墨烯基底和生长系统配置如图1(a)(b)所示，微量O₂的引入有效调控了MoS₂的成核密度。

结果与讨论
AFM测量显示MoS₂薄膜厚度约0.72nm，对应单层特性。拉曼光谱中E¹_2g和A_1g模的峰位差约19.6cm^-1，PL光谱显示明显的激子发射峰，证实了高质量单层MoS₂的形成。C-AFM测试表明异质结在圆偏振光照射下呈现明显的电流差异，验证了其偏振敏感特性。M?S?M器件在左旋和右旋圆偏振光下表现出显著的光电流差异，偏振响应比达1.21。

结论
该研究通过LPCVD技术成功实现了石墨烯上高质量MoS₂薄膜的可控制备，所构建的异质结器件展现出优异的圆偏振光选择性吸收特性。这一成果不仅为过渡金属硫族化合物（TMDs）的生长提供了新方法，更重要的是为发展高性能偏振敏感光电探测器开辟了道路，在集成光电子学和谷电子器件领域具有重要应用前景。

讨论
研究揭示了MoS₂非中心对称结构导致的圆偏振光选择吸收机制，其源于K和K'谷的能谷选择性光学跃迁。相比传统偏振探测系统，这种基于二维材料的器件结构更简单、体积更小，且无需额外光学元件。未来通过优化异质结界面和器件结构，有望进一步提升偏振探测性能，推动其在军事侦察、生物成像等领域的实际应用。