CN111029416B - 一种圆偏振光探测器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种圆偏振光探测器件及其制备方法。该圆偏振光探测器件包括衬底、金属反射层、介质层、单层过渡金属硫族化合物、手性表面等离激元超表面和电极，集成在单层过渡金属硫族化合物上的手性表面等离激元超表面能够对入射圆偏振光产生选择性的吸收增强，从而对单层过渡金属硫族化合物在圆偏振光入射下产生的光生载流子数目进行调制，并在外部偏置电压的作用下，对应不同圆偏振光可以产生不同大小的可测量光电流，从而实现对不同圆偏振光的光电探测和区分。本发明是首个在单一平面型器件中实现圆偏振光探测功能的集成光电探测器件，并且工作在可见光波段，具有厚度超薄、响应速度快和便于集成的特点。

Description

一种圆偏振光探测器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型的光电探测器件，特别涉及一种基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件，可以实现在单一平面型光电器件上对圆偏振光的光电探测。
背景技术
圆偏振光作为一种基本的光学偏振态，因其具备的独特物理性质，在光学通信、量子光学技术以及生物和化学传感等方面具有广泛的应用。随着光学系统的小型化和集成化，传统的通过四分之一波片、偏振片和光电探测器进行圆偏振光探测的方法无法适用于小型的集成光学系统。因此，实现便于集成化的小型圆偏振光探测器成为亟待解决的问题。
近年来，以单层二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、二硒化钼(MoSe2)等为代表的单层过渡金属硫族化合物因其良好的光电子学特性吸引了越来越多的研究兴趣。相比于传统块体光电子学材料，单层过渡金属硫族化合物在保持优秀的光电子学性质的同时也具备厚度超薄的几何特性和良好的机械性能。另外，它们的表面自然地钝化，没有悬挂键，使其很容易与金属微纳结构和光学波导进行集成。单层过渡金属硫族化合物作为一种半导体材料，其具备的这些优点使其在实现小型化和集成化的光电探测器件方面具有极大的应用潜力。
超表面材料(Metasurface)是由亚波长尺度的纳米结构组成的平面型光学和电磁波调控材料。近年来，超表面材料作为一种新型而灵活的电磁波操控材料，吸引了越来越多的研究者的目光。由于其构成单元的几何尺度在亚波长级别，往往能对光波或电磁波产生自然界中材料无法实现的一些特殊效果，比如异常反射折射、偏振转换、光学滤波等等。正因为这些新颖的性质的存在，使得超表面材料在集成光学、材料科学以及纳米科学等多个领域都得到了广泛的关注和研究。由金属纳米结构作为构成单元的等离激元超表面，由于金属结构的等离激元增强特性，其在与光波相互作用时，不仅具备超表面材料的光场调控功能，还能增强材料与光场的相互作用，这对于光电子学应用具有重要意义。另外，等离激元超表面由于是在平面上加工出亚波长结构，目前诸如聚焦离子束刻蚀、电子束曝光等技术都能以极高的精度加工出可见光波段的亚波长结构，可以方便地实现与其他器件的集成。
手性表面等离激元超表面的构成单元为手性金属纳米结构。其中手性起源于结构的镜像对称破缺，导致对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光具有不同的光学吸收率。通过将手性表面等离激元超表面与单层过渡金属硫族化合物相结合构成光电探测器件，可以利用手性表面等离激元超表面调控单层过渡金属硫族化合物对不同圆偏振光的吸收，从而在不同圆偏振光照射下产生不同的光电流响应，即可通过不同的光电响应实现左旋和右旋圆偏振光的区分和探测。由于手性表面等离激元超表面和单层过渡金属硫族化合物都具备超薄的几何厚度，使得这种混合的光电探测器件在具备圆偏振光探测能力的同时也保持了极薄的厚度，在小型化和集成化的新型光电器件方面具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件及其制备方法，实现在集成器件上对圆偏振光的光电探测。
本发明的技术方案如下：
一种圆偏振光探测器件，基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面，是一种在可见光波段实现对圆偏振光进行探测的光电探测器件，包括衬底、金属反射层、介质层、单层过渡金属硫族化合物MX2(M代表过渡金属元素，例如Mo、W，X代表硫族元素，例如S、Se)、手性表面等离激元超表面和电极；其中：金属反射层位于衬底之上，介质层位于金属反射层之上，单层过渡金属硫族化合物位于介质层上，手性表面等离激元超表面位于单层过渡金属硫族化合物上，电极位于单层过渡金属硫族化合物上并位于手性表面等离激元超表面两侧；其特征在于，所述手性表面等离激元超表面由多个非对称的手性金属纳米结构单元按矩形周期阵列的形式排列组成，对不同的圆偏振光(左旋光或者右旋光)选择性地光学吸收增强。
在本发明的基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件中，当外部偏置电压施加在电极上时，在圆偏振光的入射下，手性表面等离激元超表面能对不同的圆偏振光(左旋光或者右旋光)产生选择性的光学吸收增强，即根据手性表面等离激元超表面的手性特征，能对左旋光和右旋光具有不同的光吸收率。进而，不同的光吸收率将导致单层过渡金属硫族化合物中产生不同的光生载流子数目，并在外部偏置电压的作用下，对应不同圆偏振光可以测量到不同大小的光电流，从而实现在这一集成器件上对圆偏振光的光电探测。
上述基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件中，所述单层过渡金属硫族化合物MX2优选为WS2、MoS2、WSe2或者MoSe2。
上述基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件中，所述金属反射层可以是Au、Ag、Al等高反射性金属材料；所述介质层优选折射率为1～2的透明材料，可以是SiO2、MgF2、Al2O3等材料，介质层的最优厚度与材料性质相关，对于SiO2介质层，其厚度优选为80～120nm；所述衬底可以是Si、SiO2、导电玻璃(ITO)等材料的常见衬底，可以直接采用半导体工艺中常用的Si衬底。
构成所述手性表面等离激元超表面的材料为具有良好表面等离激元性质的金属材料，如Au、Ag、Al等金属。优选的，组成所述手性表面等离激元超表面的金属纳米结构单元是由一直的短金属纳米棒和一弯折的长金属纳米棒“┐”构成的非对称的手性金属纳米结构，其形状近似于“η”形。参见图3所示，其构成单元的形状为非对称的近似于“η”形金属纳米结构，该纳米结构单元的形状尺寸由几何参数W，Wg、L1、L2、T和Px、Py决定，其中：W代表金属纳米棒的棒宽；Wg代表两个金属纳米棒的间距；L1代表短金属纳米棒的长度；L2代表长金属纳米棒的长度，T代表金属纳米结构的厚度，亦即手性表面等离激元超表面的厚度；Px、Py代表非对称手性金属纳米结构单元的横向和纵向宽度，亦即构成手性表面等离激元超表面的纳米结构沿横向和纵向的排列周期,参见图1和图3。这些几何参数的选择是由金属纳米结构的共振波长与单层过渡金属硫族化合物吸收波段的有效匹配决定的，而金属纳米结构的光吸收强度还与介质层的厚度相关。在选定金属纳米结构的构成材料和形状后，可以通过时域有限差分法(FDTD)计算出在金属纳米结构在不同的几何参数下的共振波长，筛选出与所用单层过渡金属硫族化合物吸收波段相匹配的几何参数作为优化值。进一步地，在优化的几何参数下，可对介质膜厚度进行优化，得到吸收效果最佳的介质层厚度。在本发明的最佳实施例中，非对称的“η”形金属纳米结构的构成材料为Au，厚度T为35nm，其他几何参数为W＝45nm,Wg＝55nm,L1＝150nm,L2＝255nm,Px＝Py＝380nm，介质层为SiO2，其厚度范围为80～120nm。
所述手性表面等离激元超表面的面积大小由所用单层过渡金属硫族化合物大小和实际器件大小要求决定；如图1和图2所示，由于手性表面等离激元超表面位于电极之间，需要保证其宽度略小于电极间距，一般小1-3μm即可；而其长度只要保证大于其宽度并小于电极长度即可。在本发明的最佳实施例中，由非对称的“η”形金属纳米结构构成的所述手性表面等离激元超表面宽为8μm，长13μm；电极间距11μm，电极长度37μm。这些参数在保证较好的光电响应的同时保持器件较小的尺寸，能满足小型化光电探测系统的实际需求。
所述电极通常为金属材料，例如具有Ti/Au双层结构的金属电极，其中Ti的厚度为5-10nm，Au的厚度为70-80nm。
本发明所提出上述基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件是首个在单一平面型器件中实现圆偏振光探测功能的集成光电探测器件，并且该圆偏振光电探测器工作在可见光波段，具有厚度超薄、响应速度快和便于集成的特点。在目前光电系统集成化、小型化和多功能化的发展趋势下，本发明的圆偏振光探测器件将具有广阔的应用前景。
本发明还提供了一种上述基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件的制备方法，包括以下步骤：
1)清洗衬底，在衬底上镀上金属反射层；
2)在金属反射层上制备介质层；
3)将制备好的单层过渡金属硫族化合物转移到所述金属反射层之上；
4)在单层过渡金属硫族化合物上制备手性表面等离激元超表面；
5)在单层过渡金属硫族化合物上制备有手性表面等离激元超表面的区域两侧制备电极。
将上述方法制备出的器件与外部电路连接并施加偏置电压，置于光电测量系统中，即可通过改变入射光圆偏振态来测试其圆偏振光探测效果。
上述步骤1)可以直接使用半导体工艺中常用的Si衬底，可以使用电子束蒸发镀膜的方法在衬底上镀上金属反射层；进一步的，步骤2)在金属反射层上使用电子束蒸发镀膜的方法镀上介质层。
上述步骤3)中，转移单层过渡金属硫族化合物的方法可以是：首先利用化学气相沉积(CVD)方法在带有二氧化硅氧化层的硅片(也可以是其他衬底，例如Al2O3衬底)上生长单层过渡金属硫族化合物，之后在生长过渡金属硫族化合物的一面利用匀胶机旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶，并烘干，随后将其泡入强碱性溶液(如氢氧化钾或氢氧化钠溶液)中一段时间；接下来将悬浮在溶液上的覆盖有PMMA的过渡金属硫族化合物层用蒸馏水洗净，去除气泡和杂质后捞出并转移至洁净的镀有金属反射层和介质层的衬底上，随后利用丙酮蒸汽去除过渡金属硫族化合物层上的PMMA胶，从而得到衬底及介质层上转移有单层过渡金属硫族化合物的结构。
上述步骤4)中，所述手性表面等离激元超表面是利用电子束曝光(EBL)的方法按照设计好的图案和几何参数形成于单层过渡金属硫族化合物上，具体过程可以是：在步骤3)得到的单层过渡金属硫族化合物表面旋涂电子束光刻胶(如PMMA A2胶)，并烘干，依次进行电子束曝光、显影、定影、电子束蒸发镀膜、剥离等工艺后得到手性表面等离激元超表面。
上述步骤5)中，所述电极是利用电子束曝光(EBL)的方法按照设计好的图案形成于单层过渡金属硫族化合物上，具体过程可以采用下述方法：利用电子显微镜(SEM)将手性表面等离激元超表面处于单层过渡金属硫族化合物上的具体位置拍摄下来，将拍得的SEM照片导入电子束曝光软件(NPGS)中，利用套刻的方法，将电极的图案设计出来并保证其位于手性表面等离激元超表面的两侧。随后在步骤4)得到的具有手性表面等离激元超表面的单层过渡金属硫族化合物表面旋涂电子束光刻胶(如PMMA A4胶)，依次由烘烤、电子束曝光、显影、定影、电子束蒸发镀膜、剥离等工艺后得到设计好的电极。电极可以通过点焊的工艺与外部测试电路相连接。
根据本发明所述的基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件，所检测的入射光为圆偏振光(左旋或者右旋)，通过所产生的光电流的不同大小来对左旋和右旋圆偏振光进行探测和区分。
进一步的，根据本发明所述的基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件，所述单层过渡金属硫族化合物与手性表面等离激元超表面构成的复合体系的工作波长在可见光波段，所施加的外部偏置电压不能超过器件的承载能力。
本发明是首个在单一平面型器件中实现圆偏振光探测功能的集成光电探测器件，并且该圆偏振光电探测器工作在可见光波段，具有厚度超薄、响应速度快和便于集成的特点。与现有技术比，本发明的有益效果具体体现在：
本发明的圆偏振光探测器件选用的光电材料是单层过渡金属硫族化合物，单层过渡金属硫族化合物作为一种新型的二维半导体材料，具有光电特性优异、机械稳定性高、厚度超薄的优点。
本圆偏振光探测器件中所利用的手性表面等离激元超表面作为一种平面型光场调控材料，具有厚度超薄和可调谐性大的优点，既有利于应用于不同波段范围的光电调控应用，又能保证器件具有超薄的厚度和微小的尺寸，并能与平面半导体工艺相兼容。
本发明相比于传统的基于分立元件的圆偏振光探测系统，能有效的降低器件的尺寸，提高系统集成度。
本发明的圆偏振光探测器件利用单层过渡金属硫族化合物作为光电探测材料，其具备较高的光电响应速度(小于100ms)，有利于实现集成化的快速圆偏振光探测系统。
附图说明
图1为本发明实施例1所述基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件的三维结构示意图。
图2为本发明实施例1所述基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件的横截面结构示意图。
图3为本发明实施例1所述基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件中手性等离激元超表面构成单元的结构示意图。
图4为本发明实施例1制备的基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件的光学显微图像和扫描电子显微镜图像。
图5为本发明实施例1制备的基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射下的光电响应度谱。
图6为本发明实施例1制备的基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件在周期性开关的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射下的光电流响应。
图中各附图标记的含义如下：
1、Si衬底，2、Ag反射层，3、SiO2介质层，4、单层二硒化钼，5、手性表面等离激元超表面，6、电极；L1：非对称“η”形金属纳米结构的短棒长度；L2：非对称“η”形金属纳米结构的长棒长度；W：非对称“η”形金属纳米结构的棒宽；Wg：非对称“η”形金属纳米结构的两棒间距；T：非对称“η”形金属纳米结构的厚度，亦即手性表面等离激元超表面的厚度；Px：非对称“η”形金属纳米结构单元的横向宽度，即构成手性表面等离激元超表面的横向周期(沿x方向)；Py：非对称“η”形金属纳米结构单元的纵向宽度，即构成手性表面等离激元超表面的纵向周期(沿y方向)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，以使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明。
下面以基于单层二硒化钼(MoSe2)和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件为例进行说明。这是一种在可见光波段实现圆偏振光的探测和区分的光电探测器件，其基本结构如图1和图2所示。构成手性表面等离激元超表面的结构单元为非对称“η”形金属纳米结构，其结构如图3所示。所述的圆偏振光探测器件为多层结构，包括Si衬底1、Ag反射层2、SiO2介质层3、单层二硒化钼4、手性表面等离激元超表面5和电极6，其中，所述Ag反射层2处在Si衬底1上方，所述SiO2介质层3位于Ag反射层2之上，单层二硒化钼4处在SiO2介质层3上，所述手性表面等离激元超表面5处在单层二硒化钼4上，所述电极5处在单层二硒化钼4上方并且位于手性表面等离激元超表面5两侧。通过点焊技术，电极6与外部电路相连接，外部偏置电压施加所述电极之间。
所述基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件的工作原理：当圆偏振光垂直入射到所述基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件上时，手性表面等离激元超表面将对不同的圆偏振光(左旋光或者右旋光)产生选择性的光学吸收增强，即根据手性表面等离激元超表面的手性特征，能对左旋光和右旋光具有不同的光吸收率。进而，不同的光吸收率将导致单层过渡金属硫族化合物中产生不同的光生载流子数目，并在外部偏置电压的作用下，对应不同圆偏振光可以测量到不同大小的的光电流，从而实现在这一集成器件上对圆偏振光的光电探测和区分。本发明的圆偏振光电探测器工作在可见光波段，具有厚度超薄、响应速度快和便于集成的特点，在目前光电系统集成化、小型化和多功能化的发展趋势下，本发明将具有广阔的应用前景。
进一步的，电极6是通过点焊工艺与外部电路相连接的。
进一步的，电极6是利用电子束曝光(EBL)的方法按照设计好的图案形成于单层二硒化钼4的上方。所述手性表面等离激元超表面5是利用电子束曝光(EBL)的方法按照设计好的几何参数形成于单层二硒化钼4之上。
进一步的，手性表面等离激元超表面5的几何参数W、Wg、L1、L2、T、Px、Py以及SiO2介质层3的厚度的选择是由金属纳米结构的共振波长与单层过渡金属硫族化合物吸收波段的有效匹配决定的。通过时域有限差分法(FDTD)可以计算出手性表面等离激元超表面5在不同的几何参数下的共振波长，从而筛选出与所用单层过渡金属硫族化合物吸收波段相匹配的几何参数作为优化值。
进一步的，所述手性表面等离激元超表面5覆盖的面积大小由所用单层过渡金属硫族化合物的大小和实际需求决定。如图1所示，由于手性表面等离激元超表面5位于电极6之间，需要保证其宽度略小于电极间距，一般小1-3μm即可；而其长度只要保证大于其宽度并小于电极长度即可。
进一步的，构成手性表面等离激元超表面5的材料可以是金、银、铝等金属。
进一步的，电极6具有Ti/Au双层结构，其中Ti的厚度在5-10nm之间，Au的厚度在70-80nm之间。
进一步的，所述基于单层过渡金属硫族化合物和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件工作波长在可见光波段，外部偏置电压不能超过器件的承载。
下面进一步给出所述基于基于单层二硒化钼和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件制备方法，所述圆偏振光探测器件的制备包括以下步骤：
步骤一、将Si衬底使用有机溶剂超声清洗，按照丙酮(10-15min)→乙醇(10-20min)→去离子水(10-20min)的顺序进行超声清洗，最后用氮气枪将残留在衬底上的去离子水吹干，得到洁净的Si衬底。
步骤二、在上一步骤得到的Si衬底1上面利用电子束蒸发镀膜的方法，依次镀上Ag反射层2和SiO2介质层3，得到具有反射层和介质层的Si衬底。为了得到较好的成膜厚质量，电子束蒸发镀膜仪的真空度应抽到10-8Torr，镀膜速率应该设置在0.2埃/秒。
步骤三、用化学气相沉积(CVD)的方法在硅片上生长单层二硒化钼，之后在生长二硒化钼的一面利用匀胶机旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)A7胶(4000rad/s，50s)，并在180℃下烘烤5min，随后将其泡入浓的氢氧化钾溶液中约5小时。接下来将悬浮在氢氧化钾溶液上的二硒化钼用去离子水洗净，利用镊子去除气泡和杂质后捞出，并在去离子水环境中将其转移至预先准备好的带有Ag反射层和SiO2介质层的Si衬底上，随后利用热板(160℃温度下)将丙酮溶液加热至沸点，利用丙酮蒸汽去除二硒化钼层上的PMMA胶，从而得到SiO2介质层3上转移有单层二硒化钼4的结构，如图1所示。
步骤四、在步骤三得到的单层二硒化钼表面旋涂PMMA A2胶(3000rad/s，50s)，并在180℃下烘烤5min。然后利用电子束曝光(EBL)系统将设计好的手性表面等离激元超表面刻蚀出来，并放入显影液(MIBK)中显影(约50S)，显影后立即放入定影液(异丙醇溶液)中定影(约5min)，随后取出样品用氮气枪将残留的异丙醇溶液吹干。接着，利用电子束蒸发镀膜蒸镀上所选择的金属。最后将整个样品放入丙酮溶液中约5小时，通过丙酮溶液冲洗的方法，去除多余的PMMA和金属，使得需要的手性表面等离激元超表面5留在单层二硒化钼4之上。
步骤五、利用电子显微镜(SEM)将手性表面等离激元超表面处于单层二硒化钼的具体位置拍摄下来，将拍得的SEM照片导入电子束曝光软件(NPGS)中，利用套刻的方法，将电极的图案设计出来并保证其位于手性表面等离激元超表面的两侧。随后在步骤四得到的具有手性表面等离激元超表面的单层二硒化钼表面旋涂PMMA A4胶(3000rad/s，50s)，同步骤四一样，依次由烘烤、电子束曝光、显影、定影、电子束蒸发镀膜、剥离等工艺后得到设计好的顶电极6，如图1所示。
步骤六、利用点焊机，将电极6外部测试电路相连接，并施加偏置电压，制备出的器件置于光电测量系统中，通过改变入射光圆偏振态来测试其圆偏振光探测效果。
最后给出本发明制备的基于单层二硒化钼和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件的具体实施例。
实施例1
一种基于单层二硒化钼和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件的显微图像如图4所示。器件结构如图1和图2所示，自下而上包括Si衬底1、Ag反射层2、SiO2介质层3、单层二硒化钼4、手性表面等离激元超表面5和电极6。其中，Ag反射层2位于Si衬底1上方，SiO2介质层3位于Ag反射层2的上方，通过湿法转移后的单层二硫硒化钼4处在SiO2介质层3上，电子束曝光产生的手性表面等离激元超表面5处在单层二硒化钼4上。手性表面等离激元超表面5的构成材料为金，其构成单元为非对称“η”形纳米结构，如图3所示，几何参数为W＝45nm,Wg＝55nm,L1＝150nm,L2＝255nm,T＝35nm,Px＝Py＝380nm，SiO2介质层厚度为110nm，Ag反射层厚度为100nm(在此尺寸参数下，通过FDTD软件计算出的共振波长能与单层二硒化钼的吸收谱匹配)。电极6处在单层二硒化钼4上方，并且位于手性表面等离激元超表面的两侧，手性表面等离激元超表面5覆盖的宽为8μm，长13μm，电极间距11μm，电极长度37μm；这些参数在保证较好的光电响应的同时保持器件较小的尺寸，能满足小型化光电探测系统的实际需求。通过点焊工艺，电极6与外部测试电路相连接，外部偏置电压施加于所述电极6上。当外部偏置加电压施加电极6上，并且器件受到光照时，单层二硒化钼中光生载流子将在偏置电压作用下产生可测量的光生电流。由于手性表面等离激元超表面对圆偏振光的吸收具有选择性，进而可以使单层二硒化钼在不同的圆偏振光入射下产生不同数量的光生载流子，使得测量到的光电流产生差别，从而实现圆偏振光测测量和区分。
如图5所示，当外部偏置电压处在1.5V时，通过改变入射光的波长(从630nm到890nm)，可以测到该圆偏振光探测器件的光电响应度谱。从光电响应度谱可以看出，所制备的圆偏振光探测器在右旋圆偏振光下相对左旋圆偏振光具有更大的光学响应度。在约790nm初，右旋光的光电响应度可达约2.32mA/W，而对左旋光的光电响应度为约1.60mA/W，两者相差比例达到45％，因此，该圆偏振探测器在所测量波段能有效的实现不同圆偏振光的探测和区分。
为了测量此基于单层二硒化钼和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件的光电响应速率。我们通过周期性的开关入射光源(开3s，关3s，周期6s)，并同时不间断地测量光电流，从而可以得到该器件的时间分辨光电响应。实验中偏置电压为1.5V，左旋和右旋入射光强度均为50m W/cm2。如图6所示，从测量结果可见，从无光照到有光照的上升沿和从有光照到无光照的下降沿均表现出陡峭的变化趋势，由于实验中采样时间为100ms，由此可以得出该器件的光电响应速度至少为100ms。同时，从图6中也可看出，该器件在不同光照下的运行十分稳定，从侧面也印证了此基于单层二硒化钼和手性表面等离激元超表面的圆偏振光探测器件的优良性能。
本发明是首次基于单层二硒化钼等过渡金属硫族化合物，结合平面型的手性表面等离激元超表面，在单一平面型器件中实现圆偏振光探测功能的集成光电探测器件。它利用手性表面等离激元超表面对不同的圆偏振光的选择性的光学吸收增强，对单层过渡金属硫族化合物在圆偏振光入射下产生的光生载流子数目进行调制，并在外部偏置电压的作用下，对应不同圆偏振光可以产生不同大小的可测量光电流，从而实现在这一集成器件上对圆偏振光的光电探测。不同于传统的基于分立元件的圆偏振光探测器件，本发明具有厚度超薄、响应速度快和便于集成的特点，在目前光电系统集成化、小型化和多功能化的发展趋势下，我们的圆偏振光探测器件将具有广阔的应用前景。此外，由于单层过渡金属硫族化合物和表面等离激元超表面的二维特性，该器件与目前半导体产业中的平面工艺具有很强的兼容性，因此在与其他光电器件集成方面具有极大优势，为多功能的复合光电集成系统提供了更多可能。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，本领域的技术人员应当理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种圆偏振光探测器件，包括衬底、金属反射层、介质层、单层过渡金属硫族化合物、手性表面等离激元超表面和电极，其中：金属反射层位于衬底之上，介质层位于金属反射层之上，单层过渡金属硫族化合物位于介质层上，手性表面等离激元超表面位于单层过渡金属硫族化合物上，电极位于单层过渡金属硫族化合物上并位于手性表面等离激元超表面两侧；其特征在于，所述手性表面等离激元超表面由多个非对称的手性金属纳米结构单元按矩形周期阵列的形式排列组成，对不同的圆偏振光选择性地光学吸收增强。
2.如权利要求1所述的圆偏振光探测器件，其特征在于，所述单层过渡金属硫族化合物为WS2、MoS2、WSe2或者MoSe2。
3.如权利要求1所述的圆偏振光探测器件，其特征在于，所述介质层是折射率为1～2的透明材料。
4.如权利要求1所述的圆偏振光探测器件，其特征在于，构成所述手性表面等离激元超表面的金属纳米结构单元是由一直的短金属纳米棒和一弯折的长金属纳米棒“┐”构成的非对称的手性金属纳米结构。
5.如权利要求1所述的圆偏振光探测器件，其特征在于，所述非对称的手性金属纳米结构单元的几何参数由该纳米结构的共振波长与单层过渡金属硫族化合物吸收波段的有效匹配决定。
6.如权利要求1所述的圆偏振光探测器件，其特征在于，所述手性表面等离激元超表面位于两电极之间，其宽度小于电极间距1-3μm，长度大于其宽度并小于电极长度。
7.权利要求1～6任一所述圆偏振光探测器件的制备方法，包括以下步骤：
1)清洗衬底，在衬底上镀上金属反射层；
2)在金属反射层上制备介质层；
3)将制备的单层过渡金属硫族化合物转移到所述金属反射层之上；
4)在单层过渡金属硫族化合物上制备手性表面等离激元超表面；
5)在单层过渡金属硫族化合物上制备有手性表面等离激元超表面的区域两侧制备电极。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)使用电子束蒸发镀膜的方法在衬底上镀上金属反射层；步骤2)在金属反射层上使用电子束蒸发镀膜的方法镀上介质层；步骤3)首先利用化学气相沉积方法在其他衬底上生长单层过渡金属硫族化合物，之后旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯胶并烘干，随后将其泡入强碱性溶液中一段时间，接下来将悬浮在强碱性溶液上的覆盖有聚甲基丙烯酸甲酯胶的过渡金属硫族化合物层用蒸馏水洗净、捞出，转移至步骤2)制备的介质层上，再利用丙酮蒸汽去除聚甲基丙烯酸甲酯胶。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，先选定构成手性表面等离激元超表面的金属纳米结构的材料和形状，然后通过时域有限差分法计算出在金属纳米结构在不同几何参数下的共振波长，筛选出与所用单层过渡金属硫族化合物吸收波段相匹配的几何参数作为优化值。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤4)利用电子束曝光的方法按照设计好的图案和几何参数在单层过渡金属硫族化合物上形成手性表面等离激元超表面；步骤5)利用电子显微镜将手性表面等离激元超表面处于单层过渡金属硫族化合物上的具体位置拍摄下来，将拍得的照片导入电子束曝光软件中，利用套刻的方法将电极的图案设计出来并保证其位于手性表面等离激元超表面的两侧，利用电子束曝光的方法按照设计好的图案将电极形成于单层过渡金属硫族化合物上。
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