中國科學院福建物構所羅軍華團隊首次報道了一種基于二維/三維雜化鈣鈦礦異質結單晶的偏振光探測器。該探測器表現(xiàn)出優(yōu)異的偏振光探測性能，包括超高的偏振靈敏度、大光暗電流開關比和高探測率。

偏振光電探測器是光通訊技術的核心部件之一，在近場成像、遙感和高分辨探測等領域有著廣闊的應用。偏振光探測器的制備對工作介質有很高的要求，除了優(yōu)良的光吸收能力外，材料本身還需具有不對稱的形態(tài)或晶體結構，上述特性使得材料能夠展現(xiàn)出各向異性的光響應能力。

近年來，二維有機-無機雜化鈣鈦礦作為一類新興的低維半導體材料，因其獨特的結構各向異性和化學多樣性，在偏振光電探測方面已經(jīng)取得了重大的發(fā)現(xiàn)和進展。然而，受其光學吸收的限制，在二維有機-無機雜化鈣鈦礦材料中實現(xiàn)高偏振靈敏度仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

中科院福建物質結構研究所羅軍華團隊通過“異質結構筑”策略，設計并生長了一類新型的二維/三維單晶雜化鈣鈦礦異質結（4-AMP）（MA）2Pb3Br10/MAPbBr3（MA = 甲胺; 4-AMP = 4-氨甲基哌啶），并首次將這一材料體系應用于偏振光電探測的研究。

（A）二維/三維單晶雜化鈣鈦礦異質結示意圖；（B）不同三維層厚度的異質結晶體；
（C）不同濃度亞錫離子摻雜的二維/三維異質結晶體。

該種單晶異質結具有諸多優(yōu)勢：

載流子傳輸高效。相比于絕大部分薄膜材料，晶體材料因其極低的缺陷密度為載流子高效傳輸提供了理想的介質，光電響應能力更加優(yōu)異。

將二維材料與三維材料完美結合。構筑的二維/三維異質結晶體不僅具有二維材料的結構各向異性，而且具有三維材料優(yōu)異的半導體特性，包括強光吸收能力、高自由載流子濃度和高載流子遷移率。

形成內建電場。由于（4-AMP）（MA）2Pb3Br10與MAPbBr3兩相間的電荷相互作用，在異質結晶體界面處產生了強內建電場。該內建電場使得器件可在零偏壓工作的同時促進光生載流子的有效分離。

（A）二維/三維單晶雜化鈣鈦礦異質結光電探測器件示意圖；（B）平行和垂直異質結界面方向的光電導；
（C）不同光照強度下光電導各向異性；（D）在零偏壓下，異質結探測器件的光電流與極化角的關系；（E）器件性能比較；（F）不同溫度下器件的偏振靈敏度。

在內建電場的驅動（零偏壓）下，基于該二維/三維異質結晶體的光電探測器表現(xiàn)出極高的偏振靈敏度，偏振比高達~17。此偏振比遠遠超過了二維純相有機-無機雜化鈣鈦礦材料（~2），是目前雜化鈣鈦礦材料偏振探測器件報道的最高值。

研究表明，異質結的內建電場可抑制載流子的復合，為載流子分離/傳輸提供了有效的驅動力，是獲得高偏振靈敏度的主要原因。同時，此偏振光電探測器還具有大的光暗電流開關比（~105）和高探測率（~1010）。上述結果說明，該異質結構筑策略取得了1+1》2的效果，為設計高偏振特性的光電探測材料開辟了新途徑，同時進一步拓展了有機-無機雜化鈣鈦礦材料在智能光電器件中的應用。

研究以“Rational design of high-quality 2D/3D perovskite heterostructure crystals for record-performance polarization-sensitive photodetection”為題在線發(fā)表于National Science Review，中科院福建物質結構研究所博士生張馨元為第一作者，中科院福建物質結構研究所羅軍華研究員為論文的通訊作者。

編輯：jq