偏振光探測技術(shù)在復雜環(huán)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(xiàn)有偏振探測技術(shù)主要依賴結(jié)構(gòu)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(fā)展趨勢下面臨新的挑戰(zhàn)，而具備本征偏振光響應的面內(nèi)各向異性結(jié)構(gòu)低維半導體展示出一定的發(fā)展?jié)摿?。近年來，中國科學院半導體研究所半導體芯片物理與技術(shù)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，近期圍繞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(tǒng)闡明了低維半導體面內(nèi)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(nèi)線性二色性。研究發(fā)現(xiàn)，晶格和帶邊波函數(shù)的面內(nèi)不對稱是面內(nèi)線二色性的主要根源。具有平面內(nèi)正交晶格和單斜晶格的二維半導體容易產(chǎn)生相當大的面內(nèi)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(nèi)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(shù)的面內(nèi)奇偶性。進而發(fā)現(xiàn)，由這些二維半導體形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示出更高的光吸收、更強的面內(nèi)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(guān)研究以“Physical origin of planar linear dichroism in van der Waals semiconductors using main group elements”為題發(fā)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，通訊作者魏鐘鳴和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(jié)

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(zhuǎn)特性。同時還進一步探討了在不同波段中發(fā)生偏振翻轉(zhuǎn)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(gòu)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(jié)果顯示，具有偏振翻轉(zhuǎn)光吸收特性的新型光電探測器能夠?qū)崿F(xiàn)波段信息識別和圖像增強等功能演示。相關(guān)研究以“Polarization Reversal of Group IV-VI Semiconductors with Pucker-Like Structure: Mechanism Dissecting and Function Demonstration”為題發(fā)表于《先進材料》（Advanced Materials 2024, 36 (3), 2307769.，第一作者畢業(yè)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(xiàn)雙波段圖像識別和圖像增強的可靠方法。相關(guān)研究以“Dual-band real-time object identification via polarization reversal based on 2D GeSe image sensor”為題發(fā)表于《科學通報》（Science Bulletin 2023, 68 (17), 1867-1870.，第一作者畢業(yè)博士生于雅俐，通訊作者魏鐘鳴）。

圖2.低維低對稱面內(nèi)各向異性半導體材料

在器件性能方面，通過構(gòu)筑二維半導體-二維半金屬結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)，通過能帶調(diào)控實現(xiàn)了柵壓可調(diào)的偏振光電響應。面向圖像傳感器在圖像捕獲與處理環(huán)節(jié)分離、感知與計算單元間的數(shù)據(jù)傳輸增加了功耗的挑戰(zhàn)，開發(fā)出一種具備柵極調(diào)控和偏振敏感特性的光電探測器，實現(xiàn)了正負值的光電響應反轉(zhuǎn)，并生成了可變的偏振光電流用于圖像傳感器內(nèi)計算。結(jié)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(nèi)的圖像處理任務。這一技術(shù)的實現(xiàn)不僅降低了功耗，還為高精度圖像處理發(fā)展?jié)撛谛路较颉Ｏ嚓P(guān)研究以“In-Sensor Polarimetric Optoelectronic Computing Based on Gate-Tunable 2D Photodetector”為題發(fā)表于《電氣和電子工程師協(xié)會電子器件快報》（IEEE Electron Device Letters 2024, 45 (4), 645-648.，第一作者畢業(yè)博士生于雅俐，通訊作者魏鐘鳴和華南師范大學霍能杰研究員）。

圖3. 低維半導體異質(zhì)結(jié)器件偏振響應實現(xiàn)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(nèi)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(xiàn)出寬的功率范圍和弱光探測能力（0.1 LUX）。相關(guān)研究以“Low symmetric sub-wavelength array enhanced lensless polarization-sensitivity photodetector of germanium selenium”為題發(fā)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(tài)調(diào)控場效應晶體管的柵極電位，結(jié)合晶體管在亞閾區(qū)的陡峭電流響應，實現(xiàn)對微弱偏振信號的高靈敏放大。系統(tǒng)評估多種晶體管后，篩選出具有高穩(wěn)定性和抗噪性能的SMT-Si晶體管作為最優(yōu)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(guān)研究以“Polarization Signal Amplification of 2D GeSe-Based Polarization-Sensitive Photodetectors”為題發(fā)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和北京大學黃芊芊教授）。

圖4. 低維低對稱面內(nèi)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(fā)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(jié)了低維低對稱半導體材料的發(fā)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(fā)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(tǒng)），分析了低維低對稱半導體偏振光探測的相關(guān)研究面臨的挑戰(zhàn)，并討論了可行的解決方法及未來的發(fā)展方向。此項研究成果以“Low-dimensional low-symmetric semiconductors for polarization-sensitive photodetection”為題發(fā)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(yè)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(fā)展路徑：多功能拓展和規(guī)模化集成

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(fā)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(guān)工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院和北京市自然科學基金的資助。