编辑推荐：
本研究针对激子半导体材料存在的扩散长度短和窄带吸收等关键问题，报道了在WS2二维材料中实现自杂化激子极化激元(Exciton-Polaritons)的光电二极管。通过ITO透明顶电极同时作为抗反射层，在开放光学腔中实现了强光-物质耦合，使内量子效率(IQE)接近 unity，响应速度提升至217 ns，为高性能激子半导体光电器件提供了新范式。
在光通信、传感和光能收集等领域，光电二极管一直扮演着核心角色。虽然硅基和无机半导体光电二极管已经广泛应用于商业技术，但基于激子半导体的光电二极管因其卓越的光吸收特性而持续吸引着研究关注。然而，激子半导体材料始终面临两大挑战：由于激子扩散长度短导致的电荷传输性能差，以及激子共振特性引发的窄带吸收问题。这些局限性严重制约了激子半导体在光电应用中的进一步发展。
近日，发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上的一项研究提出了一种创新解决方案。由赵启晓、Adam D. Alfieri、夏梦佳等研究人员组成的团队开发出了基于激子极化激元(Exciton-Polaritons, E-Ps)的光电二极管，通过利用极化激元物理，在强光-物质耦合区域实现了性能突破。
研究团队设计了一种独特的器件结构，将多层WS2置于金电极和锡掺杂氧化铟(ITO)透明顶电极之间。ITO层不仅作为电极，还充当抗反射涂层。WS2有源层的厚度从5纳米到200纳米不等。ITO与空气之间的折射率对比使ITO能够作为抗反射涂层使用，而ITO与WS2之间较大的光学阻抗失配导致界面处产生菲涅耳反射系数，从而在WS2层中形成法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)腔模。
研究人员采用机械剥离法制备WS2层，通过全干法确定性转移工艺将WS2层转移到预先制备的底部电接触上。顶部电接触通过电子束光刻和离子束溅射沉积50纳米ITO进行图案化。所有器件在制备后均在氮气环境中进行退火处理。光学表征包括厚度依赖性反射率测量、角度分辨反射谱以及外量子效率(EQE)测试，电学性能评估则涵盖暗电流、光电流响应、噪声等效功率(NEP)和响应速度等关键参数。
强耦合在自杂化极化激元光电二极管中的验证
研究人员通过厚度依赖性反射率测量、传输矩阵法(TMM)计算和耦合振子模型拟合，证实了器件中强耦合的存在。结果显示，在WS2厚度大于50纳米时，反射谱中出现了明显的反交叉行为，这是强耦合的典型特征。
对前三阶F-P腔模(l=1,2,3)的拟合得到了显著的拉比分裂(Rabi splitting)值，分别为152.62 meV、173.38 meV和171.42 meV，远大于相应模式的线宽，确证了系统处于强耦合区域。实验测量的反射谱与TMM计算结果高度一致，显示出大的宽带吸收特性，同时极化激元分支扩展了吸收光谱范围。
激子极化激元态驱动的外量子效率谱
EQE谱分析进一步揭示了极化激元对光电流生成的增强作用。在强耦合器件中，EQE谱在激子共振两侧显示出两个明显的峰值，分别对应于上极化激元分支(UPB)和下极化激元分支(LPB)。这些特征在弱耦合器件中完全缺失，证实了光电流响应确实由E-P态主导。
低温测量结果显示，在80K时，暗电流显著降低，激子吸收边明显陡峭化，吸收峰发生蓝移，EQE在共振和非共振激发下均得到增强。这些现象反映了低温下激子和极化激元效应的增强，以及自由载流子效应的抑制。
外部和内量子效率
量子效率的系统性研究揭示了强耦合对光电转换效率的显著影响。EQE和IQE均随WS2厚度呈现振荡行为，在光子模式与激子能量零失谐的厚度处(约75纳米和145纳米)出现峰值。
特别值得注意的是，在强耦合区域，IQE出现大幅提升，在零失谐厚度附近接近unity。这一增强源于自杂化极化激元态通过将光学场集中在WS2层内，同时改善了激子传输。研究人员还建立了一个现象学传输模型，该模型基于共振能量转移(RET)机制，假设激子扩散通过极化激元态相关的电场发生跳跃式随机行走，拟合结果与实验数据趋势一致。
极化激元光电二极管的光伏探测性能
最终的性能评估表明，该极化激元光电二极管具有优异的综合探测能力。代表性器件的暗电流密度低至5.33×10-7A cm-2(0V时)，光开关比达到7.1×105。响应度随厚度呈现振荡行为，在强耦合状态下显著增加，最大响应度为0.35 A/W(600纳米，15微瓦)。
噪声等效功率(NEP)在WS2厚度为73.5纳米、630纳米光照下达到0.34 pW Hz-1/2的低值，表明器件具有优异的信噪比区分能力。响应速度测量显示，在强耦合状态下响应速度增加，在零失谐厚度处出现明显峰值，最快响应时间为217纳秒(WS2=73.5纳米)，-3dB截止频率为1.21 MHz。
本研究展示了在WS2中实现光与物质自杂化的极化激元光电二极管。这些光电二极管表现出宽带吸收和极化激元增强的传输特性，在零失谐条件附近量子效率接近unity，并随厚度依赖性共振振荡，与现象学理论和电磁模拟结果一致。鉴于受扩散长度限制的激子传输是许多基于激子半导体的光电探测器效率受限的主要原因，利用极化激元增强扩散的这一研究成果代表了潜在突破。
此外，该光学设计展示了宽带吸收特性，并创新性地将透明导电电极同时用作顶接触和抗反射层，用于超薄光电二极管。宽带吸收和强耦合增强激子传输的同时存在，使得开放腔、自杂化激子极化激元器件对探测器应用极具吸引力。在吸收性光电器件中使用强耦合形式的光与物质（激子极化激元），代表了基于激子半导体的所有此类系统的物理和器件设计范式转变。
尽管界面陷阱态引起的非辐射复合和载流子提取受阻等技术和材料限制使得器件性能仍低于理论极化激元极限，但通过改进封装和转移工艺提高晶体和界面质量、优化介电环境，特别是实施精心设计的具有更高Q因子和更紧模式限制的集成腔，可以大幅增强光-物质耦合强度和吸收效率。结合改进的电极配置以实现快速载流子提取，这些改进有望弥合与极化激元光电探测器理论性能极限之间的差距。
