混合卤化物钙钛矿实现高性能全斯托克斯成像偏振测量的突破

为解决全斯托克斯成像偏振测量难题，研究人员利用卤化物混合调控钙钛矿，实现高灵敏度检测及成像，意义重大。

　　在光的世界里，光线不仅有强弱之分，还存在着不同的偏振状态。想象一下，我们眼中看到的多彩世界，其实光线背后隐藏着许多 “秘密”，而全斯托克斯成像偏振测量（full-stokes imaging polarimetry）就是一把能揭开这些秘密的神奇钥匙，它可以同时捕捉光的强度和偏振状态，为我们获取目标物体更全面的信息。在当今科技领域，从先进的光学通信到高端的生物医学成像，从精妙的材料表征到复杂的遥感探测，这项技术都有着不可或缺的作用。

然而，目前的全斯托克斯偏振检测技术面临着严峻的挑战。现有的技术大多依赖于偏振测量仪与集成超表面或光栅组件的结合，这种方式虽然能实现一定的功能，但却像是给精密的光学系统戴上了沉重的 “枷锁”。它会引入严重的光学损耗，就好比让光线在传递过程中不断 “折损元气”，同时还大大增加了制造的复杂性，使得在下一代小型化便携式设备中的应用困难重重。于是，科学家们开始将目光投向半导体材料，希望能从这里找到新的突破口。

半导体若具有内在的偏振敏感性，就有可能实现高灵敏度且占用空间小的全斯托克斯成像偏振测量。这就要求半导体结构具备各向异性和手性特征，然而，传统半导体由于结构多样性有限，想要同时植入这两种特性，就如同在狭窄的通道里转弯，困难重重。

在众多半导体材料中，混合有机 - 无机钙钛矿（Hybrid organic-inorganic perovskites）凭借其出色的半导体性能和丰富的结构多样性，吸引了科研人员的广泛关注。它就像一个充满无限可能的 “宝藏库”，为功能导向的结构设计提供了广阔的平台。例如，通过配体嵌入诱导结构各向异性，在低维钙钛矿中已经实现了对线性偏振光（Linearly Polarized Light，LPL）的高效检测；利用不对称氢键诱导结构扭曲构建手性钙钛矿，也能够实现对圆偏振光（Circularly Polarized Light，CPL）的检测。因此，兼具各向异性和手性特征的钙钛矿，理论上是实现高效直接全斯托克斯检测的理想候选材料。

但是，钙钛矿也并非十全十美。在实际应用中，它面临着一个关键问题：手性转移和放大效率极低，导致整体手性光学活性较差，这就像一个 “短板”，严重限制了其在圆偏振光矢量辨别方面的能力。如何解决这个问题，成为了摆在科研人员面前的一道难题。

为了攻克这一难题，来自多个研究团队的科研人员展开了深入研究，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。他们首先选择了一种铋卤基零维钙钛矿（R/S - MBA）₄Bi₂Br₁₀，这种钙钛矿虽然从理论上满足全斯托克斯偏振检测的基本要求，但其固有的手性光学活性较弱，严重阻碍了对圆偏振光矢量的精确判断。

科研人员通过高通量从头算计算（high - throughput ab initio calculations）深入探究这个问题，发现钙钛矿的手性光学响应与结构手性畸变程度密切相关。就像一座建筑，其结构的扭曲程度会影响它的某些特殊 “功能”，钙钛矿也是如此。为了提高钙钛矿的手性光学活性，他们提出了一种新颖的方法 —— 利用卤化物混合（halide mixing）来扩大其结构手性畸变程度。

具体来说，他们推测不同卤化物阴离子具有不同的极化率，通过卤化物混合可以构建各不对称氢键之间的显著差异，从而促进内部不对称手性转移，进而提高结构的手性畸变程度。基于此，他们进行了一系列实验。

在实验过程中，科研人员运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，采用了特殊的结晶方法制备出厘米级、无裂纹的混合卤化物钙钛矿单晶；利用多种表征技术，如 X 射线衍射（XRD）、X 射线荧光（XRF）分析等对晶体结构和成分进行精确测定；通过理论量子建模（theoretical quantum modeling）来揭示手性光学活性增强的内在机制；搭建各种光学和电学测试平台，对材料的光学偏振特性、半导体性能以及偏振检测能力进行全面评估。

研究结果令人振奋。首先，通过卤化物混合，成功地提高了钙钛矿的手性光学活性。在混合卤化物（S - MBA）₄Bi₂I₅Br₅钙钛矿中，观察到圆二色性（Circular Dichroism，CD）的不对称因子（g - factor，g_CD）提高了 16 倍。理论计算表明，这是因为混合卤化物结构中磁跃迁偶极矩显著增强。

接着，对混合卤化物（S - MBA）₄Bi₂I₅Br₅钙钛矿单晶的半导体性能进行评估，发现其具有良好的光电性能，空穴迁移率（hole mobility，μ_h）为 2.64×10^-2 cm² V^-1 s^-1，陷阱密度（trap density，n_trap）为 4.54×10¹⁰ cm^-3，并且具有较低的暗电流漂移，这意味着它在实际应用中稳定性良好。

基于这些优异性能，科研人员构建了自供电的全斯托克斯偏振测量仪。该仪器展现出卓越的性能，检测灵敏度高达 1.2×10¹² Jones，对斯托克斯参数（Stokes parameters）的检测误差极低，ΔS₁ = 3.8%，ΔS₂ = 4.0%，ΔS₃ = 5.0%，在所有基于半导体的直接全斯托克斯偏振测量仪中处于领先水平。

此外，科研人员还将该钙钛矿器件应用于全斯托克斯成像领域。实验结果显示，它能够实现高分辨率的斯托克斯成像，对线性偏振度（Degree of Linear Polarization，DOLP）和圆偏振度（Degree of Circular Polarization，DOCP）的提取准确，并且具有出色的成像稳定性。与传统的分焦平面偏振测量技术相比，这种无滤波器的偏振测量技术具有更紧凑的设备结构，在下一代高分辨率片上全斯托克斯成像应用中展现出巨大的潜力。

总的来说，这项研究通过卤化物混合的方法，显著提高了钙钛矿的手性光学性能，实现了对圆偏振光和线性偏振光的平衡辨别。制备的混合卤化物钙钛矿单晶在全斯托克斯偏振测量和成像方面表现出优异的性能，为相关领域的发展提供了新的方向和解决方案。它不仅为全斯托克斯成像偏振测量技术带来了突破，推动了小型化、高性能光电器件的发展，还为未来在更多领域的应用奠定了坚实的基础，有望在光学通信、生物医学成像、材料科学等领域引发新的变革，让我们对光的世界有更深入、更全面的认识和利用。