偏振光探測技術在復雜環境檢測、多維信息通信及光學傳感成像等領域具有重要應用價值。現有偏振探測技術主要依賴結構較為復雜的偏振光學元件或者亞波長金屬線柵，在信息器件集成化、小型化、智能化的發展趨勢下面臨新的挑戰，而具備本征偏振光響應的面內各向異性結構低維半導體展示出一定的發展潛力。近年來，中國科學院半導體研究所半導體芯片物理與技術全國重點實驗室夏建白院士團隊的魏鐘鳴、周子琦等人和合作團隊一起，在低維低對稱半導體偏振光探測領域進行了長期的研究工作，近期在新型低維半導體的理論設計、材料制備、器件性能、集成放大、學科綜述等方面取得了一系列研究進展。
在理論設計方面，系統闡明了低維半導體面內線二色性的物理機制，通過第一性原理計算，研究了100種由Ⅲ、Ⅳ、V和Ⅵ族半導體常用元素組成的二維半導體及其面內線性二色性。研究發現，晶格和帶邊波函數的面內不對稱是面內線二色性的主要根源。具有平面內正交晶格和單斜晶格的二維半導體容易產生相當大的面內線二色性，而六方晶格的二維半導體則具有光學各向同性。正交晶格的二維半導體具有較大的面內偏振光敏感特性，這是由于晶格中的固有對稱鏡面導致了帶邊波函數的面內奇偶性。進而發現，由這些二維半導體形成的異質結構顯示出更高的光吸收、更強的面內線二色性和各種類型（I、Ⅱ、Ⅲ型）的帶階，為二維光學各向異性半導體在偏振光探測領域的應用提供了一定的理論參考。相關研究以“Physical origin of planar linear dichroism in van der Waals semiconductors using main group elements”為題發表于《中國科學-信息科學》（Science China Information Sciences 2024, 67 (12), 222402.，第一作者高強博士，通訊作者魏鐘鳴、北京計算科學中心康俊研究員）
圖1. 二維材料的各向異性電子與光學特性總結
在材料制備方面，從理論預測及實驗驗證兩個角度闡明了四六族半導體材料MX (M = Ge, Sn; X = S, Se) 中存在的偏振翻轉特性。同時還進一步探討了在不同波段中發生偏振翻轉吸收的機制?；谒牧灏雽w材料MX (M = Ge, Sn; X = S, Se)作為光吸收層構筑形成的偏振敏感光電探測器，利用器件的偏振光響應特性進行虛擬成像的結果顯示，具有偏振翻轉光吸收特性的新型光電探測器能夠實現波段信息識別和圖像增強等功能演示。相關研究以 “Polarization Reversal of Group IV-VI Semiconductors with Pucker-Like Structure: Mechanism Dissecting and Function Demonstration”為題發表于《先進材料》（Advanced Materials 2024, 36 (3), 2307769.，第一作者畢業博士生于雅俐，通訊作者魏鐘鳴）
進一步通過利用上述雙波段識別特性算法模擬，提高了在自動駕駛場景下的識別準確率。該方法可以簡化雙波段圖像識別和圖像增強過程，提出了一種無需額外輔助元件即可實現雙波段圖像識別和圖像增強的可靠方法。相關研究以“Dual-band real-time object identification via polarization reversal based on 2D GeSe image sensor”為題發表于《科學通報》（Science Bulletin 2023, 68 (17), 1867-1870.，第一作者畢業博士生于雅俐，通訊作者魏鐘鳴）
圖2. 低維低對稱面內各向異性半導體材料
在器件性能方面，通過構筑二維半導體-二維半金屬結構的異質結，通過能帶調控實現了柵壓可調的偏振光電響應。面向圖像傳感器在圖像捕獲與處理環節分離、感知與計算單元間的數據傳輸增加了功耗的挑戰，開發出一種具備柵極調控和偏振敏感特性的光電探測器，實現了正負值的光電響應反轉，并生成了可變的偏振光電流用于圖像傳感器內計算。結果表明，該器件通過預設3×3的圖像濾波核，可完成包括銳化、模糊和Sobel算子在內的圖像處理任務。這一技術的實現不僅降低了功耗，還為高精度圖像處理發展潛在新方向。相關研究以“In-Sensor Polarimetric Optoelectronic Computing based on Gate-Tunable 2D Photodetector”為題發表于《電氣和電子工程師協會 電子器件快報》（IEEE Electron Device Letters 2024, 45 (4), 645-648.，第一作者畢業博士生于雅俐，通訊作者魏鐘鳴、華南師范大學霍能杰研究員）
圖3. 低維半導體異質結器件偏振響應實現圖像卷積計算
在集成放大方面，團隊和合作者一起對提高“面內各向異性二維材料的偏振光電流各向異性比”拓展了“亞波長陣列增強”與“偏振信號放大電路”兩種方法。設計了基于二維硒化亞鍺(GeSe)的亞波長陣列結構，提高GeSe各向異性靈敏度，將光電流各向異性從2左右提高到18。同時研究了其增強的機理，亞波長陣列結構可以進一步增強了電荷分布的不對稱性，提高了GeSe材料在扶手椅方向上的光吸收和光電躍遷概率，從而提高了偏振靈敏度。該偏振光探測器在808 nm的近紅外波長下表現出寬的功率范圍和弱光探測能力（0.1 LUX）。相關研究以“Low symmetric sub-wavelength array enhanced lensless polarization-sensitivity photodetector of germanium selenium” 為題發表于《科學通報》（Science Bulletin 2023, 68 (2), 173-179.，第一作者周子琦，通訊作者魏鐘鳴、鄧惠雄研究員和中國人民大學劉燦研究員）
基于“偏振信號放大電路”策略，將二維各向異性半導體GeSe中偏振光電流的各向異性比進一步提升至54。該策略利用偏振誘導的電阻變化動態調控場效應晶體管的柵極電位，結合晶體管在亞閾區的陡峭電流響應，實現對微弱偏振信號的高靈敏放大。系統評估多種晶體管后，篩選出具有高穩定性和抗噪性能的SMT-Si晶體管作為最優放大方案。增強后的偏振信號顯著提升了圖像對比度與識別準確率，使機器學習模型達到99%的識別率，計算效率提高了60%，為二維材料偏振探測性能的本征增強提供了有效方案。相關研究以“Polarization Signal Amplification of 2D GeSe-based Polarization-Sensitive Photodetectors”為題發表于《先進材料》（Advanced Materials 2025 DOI:10.1002/adma.202509066，第一作者博士生何可欣，通訊作者周子琦、魏鐘鳴、北京理工大學沈國震教授、北京大學黃芊芊教授）。
圖4. 低維低對稱面內各向異性GeSe偏振探測器的偏振信號放大
在學科綜述方面，團隊在《物理學報》紀念黃昆先生誕辰百年專題發表“低維半導體偏振光探測器研究進展”綜述論文（魏鐘鳴,* 夏建白. 物理學報2019, 68 (16), 163201.）的基礎上，最近還詳細總結了低維低對稱半導體材料的發展趨勢和在偏振光探測領域中的應用?；仡櫫说途S低對稱半導體偏振光探測器的發展歷程；從各向異性光吸收和各向異性極化電流兩個不同的角度，分析了低維低對稱半導體偏振光敏感特性的物理起源；并綜述了低維低對稱半導體探測器在偏振成像、偏振編碼光通信、偏振光電計算、偏振導航四個領域中的應用。按研究的五個層級（物理、材料、器件、芯片、系統），分析了低維低對稱半導體偏振光探測的相關研究面臨的挑戰，并討論了可行的解決方法及未來的發展方向。此項研究成果以“Low-dimensional low-symmetric semiconductors for polarization-sensitive photodetection”為題發表于《自然-綜述-電氣工程》（Nature Reviews Electrical Engineering 2025, DOI: 10.1038/s44287-025-00183-5，第一作者畢業博士生辛凱耀，通訊作者魏鐘鳴）。
圖5. 低維低對稱半導體偏振光電探測器的發展路徑：多功能拓展和規?；?/span>
該系列工作從物理、材料、器件到集成工藝形成了針對四六族新型低維半導體為代表的完整研究體系，深化了對低維低對稱半導體偏振光電響應的科學認知，為發展下一代集成化偏振光探測及其應用提供了潛在的新方案。相關工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、中國科學院和北京市自然科學基金的資助。
全文鏈接：
https://www.sciengine.com/SCIS/doi/10.1007/s11432-024-4191-5
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202307769
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323005194
https://ieeexplore.ieee.org/document/10423026/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323000294
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202509066
