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华东理工大学朱为宏院士团队：钙钛矿-液晶组合实现高性能圆偏振光探测

2024-12-26 09:46

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

2024年12月18日，华东理工大学化学与分子工程学院朱为宏院士、吴永真教授团队联合物理学院郑致刚教授团队，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton上发表了一篇题为“High-performance integrated circularly polarized light detection using soft helix decorated perovskite diodes”的研究论文。该研究结合手性液晶对圆偏振光的高效响应与钙钛矿光电二极管的优异光电性能构建了高性能圆偏振光探测器，创新设计了左、右旋成对组合器件构型，在器件微型化与集成、手性区分度、定量与宽波段检测、圆偏振成像等方面取得重要突破。

研究亮点

具有优异的手性光区分度

可定量检测任意圆偏振态

宽波段检测范围与器件柔性化

微型化与集成阵列实现圆偏振成像

研究团队基于手性液晶和钙钛矿光电二极管开发了一种可微型化、可集成阵列的高性能圆偏振光探测器。探测器在相同强度的左、右旋圆偏振光下光电流差异达到两个数量级，光电流的不对称因子（gph）高达1.96，远超当前基于手性半导体的圆偏振光电探测器且gph非常接近理论上限2.0。将一对液晶旋性相反的器件组合，即可实现对任意偏振光的圆偏振方向及圆偏振度的准确探测；调控液晶的光子禁带可以实现整个可见光波段的圆偏振探测。基于左、右旋成对组合器件构建了集成阵列，论证了圆偏振光成像的可行性。

研究背景

圆偏振光（CPL）在光量子通信、偏振成像和信息加密等领域中起着重要作用，CPL探测是推动手性光学发展、拓展成像应用的关键核心。传统的CPL检测方式依赖于四分之一波片、线偏振片以及光功率计等光学元件的组合，对器件微型化与集成化造成极大挑战。基于手性半导体的薄膜圆偏振光电探测器（CPL-PDs）是实现集成化CPL探测的可行途径之一，但现有手性半导体圆二色性相对较弱，器件通常表现出较低的光电流各向异性因子（gph值小于0.1），这限制了其区分左旋和右旋CPL的能力。同时，该类CPL-PDs在面对单光束、未知偏振状态的光源时，无法提供圆偏振方向和椭圆率等有效的偏振信息，难以满足实际探测应用。因此，如何获得兼具高圆偏振区分度和集成度的CPL光电探测器仍然面临巨大挑战。

研究内容

1.左、右旋成对组合独特构型——基于手性液晶和钙钛矿光电二极管构建高性能圆偏振光探测器

本工作将手性液晶（LCs）与钙钛矿光电二极管结合，通过手性液晶控制CPL透过，进入器件的光强度由钙钛矿光电二极管转换为电信号并读出，从而实现对左/右旋CPL的区分。相较于线偏振片和四分之一波片等传统光学元件，在钙钛矿-液晶光电探测器（PeLC-PD）引入手性LC层，可以在复杂的集成光学系统中，实现更为紧凑且灵活的器件设计。同时，手性LC层可在不增加物理光程的前提下，通过高效的光操控来最大程度地减少光传播损耗（图1）。

▲ 图1. 传统CPL探测策略和本工作提出的液晶-钙钛矿左、右旋成对组合独特构型器件设计

2.圆偏振定量检测——提升钙钛矿光电二极管的光响应一致性

钙钛矿光电二极管的光响应性能对CPL高精度定量探测及成像至关重要。作者通过优化空穴传输层制备钙钛矿光电二极管，发现MPA-CPA能有效减少钙钛矿底界面缺陷，提高器件光响应重现性，并降低器件暗电流。这表明空穴传输层与钙钛矿层的高质量接触可提升器件光电传输性能与均匀度，利于后续CPL-PDs的设计与构建（图2）。

▲ 图2. 筛选HTL提高钙钛矿光电二极管探测性能

3.高手性区分度——液晶手性特征提升器件对左、右旋圆偏振光分辨度

通过将手性LC与钙钛矿光电二极管结合，PeLC-PD表现出明显的光子禁带效应，且在带内的圆二色信号强度突破104 mdeg，比传统手性半导体高两个数量级，表明PeLC-PD具有非常优异的圆偏振区分能力。在1 mW cm-2的左/右旋CPL照射下，器件表现出高达1.96的gph值、294 mA W-1的响应度以及优异的工作稳定性，突破了基于传统手性半导体的CPL-PDs的gph值局限（图3）。

▲ 图3. PeLC-PD器件的构建与性能

4.左、右旋成对组合构型（paired PeLC-PD）定量探测任意圆偏振态

随后，作者构建了左、右成对PeLC-PD结构器件，实现对任意圆偏振态的定量探测。该器件由一对相反旋性的手性LC与两个钙钛矿光电二极管组成，利用手性LC层对不同偏振光的选择性反射与透射特性，结合二极管的差异化光电响应，通过电流差异计算获得圆偏振度（PI），该探测结果与Stokes参数S3保持高度一致，证明了探测结果的可靠性与准确性（图4）。

▲ 图4. PeLC-PD器件定量探测圆偏振态

5.拓展探测波长范围及器件柔性化

通过调整LC中的手性掺杂剂浓度，设计蓝光和红光响应的成对PeLC-PD器件。蓝、绿、红三光响应器件在可见光全波段内均表现出极高的CPL区分能力（gph>1.9），且偏振度PI与Stokes参数S3高度吻合。此外，还成功制备了性能优异的柔性PeLC-PD。该结果突破了传统CPL-PDs的波长选择性瓶颈，并显著提升了CPL-PDs的适用工作范围（图5）。

▲ 图5.探测波长范围和柔性器件拓展

6.器件集成阵列实现圆偏振成像

作者进一步利用成对PeLC-PD器件作为子像素，构建了4×4集成阵列，实现了圆偏振光成像。实验中设计了一束带有“LC”隐藏信息的矢量光束，其光斑具有空间正交的圆偏振态。通过旋转四分之一波片，实现对光束圆偏振态的动态调控，利用圆偏振片或PeLC-PDs阵列对光束进行成像。结果表明，PeLC-PDs阵列在无需额外光学元件的情况下，清晰捕捉了矢量光束中的“LC”图案，并准确还原了矢量光场的圆偏振信息，展示了该技术在量子信息处理、量子密码学以及下一代光通信系统中的巨大潜力（图6）。

▲ 图6. 基于PeLC-PDs的像素化集成阵列实现圆偏振成像

总结和展望

针对目前圆偏振光电探测器（CPL-PDs）对圆偏振光探测能力低、难以集成等挑战，作者团队开发了一种高性能、可集成的CPL-PD，通过结合钙钛矿光电二极管和手性液晶，器件表现出优异的手性光学识别能力，其gph值高达1.96，接近理论极限，并远超当前基于手性半导体的CPL-PDs性能。通过设计成对PeLC-PD结构器件，成功实现对任意圆偏振态的定量探测，并通过Stokes参数S3验证了实验结果的精确性。此外，该策略还表现出高度的设计灵活性，可适用于不同可见光波段的探测以及柔性体系。进一步展示了基于成对PeLC-PDs的像素化集成阵列，实现矢量光场下的圆偏振成像。这项工作结合了软螺旋的光学手性选择性和钙钛矿二极管的光电转化性能，创造了一种可适用于宽光谱范围的柔性和可集成的CPL-PD，为诸如手性光学等多个领域的研究和应用开辟了新机会。这些见解有望推动高性能、集成化传感和检测芯片的发展，并实现更高的灵敏度和精确性。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请作者团队进行了专访，请他们为大家做进一步的深入解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

作者团队：

这项工作巧妙利用了手性液晶对圆偏振光的特殊响应，结合钙钛矿光电二极管的优异性能，设计了可微型化、集成化的圆偏振光探测器。第一个亮点是对于相同强调、相反旋性的圆偏振光，器件的光电流不对称因子（gph）高达1.96，非常接近理论上限2.0。第二个亮点是利用液晶自组装旋性可调的优势，设计了包含左、右旋液晶的组合器件，实现了对未知旋性及椭偏光偏振度的定量探测，调节液晶光子禁带还可以实现全可见光范围内的探测。第三个要点是制备了集成的阵列器件，论证了圆偏振光成像的可行性。本研究为构建兼具高gph值与集成度的CPL-PDs提供创新策略，为下一代高性能、宽光谱、高集成化的偏振探测技术奠定了重要基础。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

作者团队：

在设计包含左、右旋液晶的组合器件时，确保两个子器件的一致性是一项非常大的挑战，需要满足三个要求：一是两个光电二极管需要具备相同光电响应特性，二是手性液晶层除了相反旋性其他特性（如厚度、螺距等）需要完全相同，三是实际探测时两个器件的受光面积完全一致。为此，我们采用自主研发的双亲性小分子空穴传输材料，有效降低钙钛矿底界面缺陷，显著提高器件均匀性与光响应一致性，有效避免因钙钛矿光电响应差异引入的误差；通过反复调整液晶中手性剂的浓度和液晶层的厚度，确保手性液晶对其相同旋性的圆偏振光具备相同的反射率；我们使用自主设计的掩模版控制曝光面积，同时利用光功率计实时监控光功率密度，确保子器件受光面积相同。通过以上设计与策略，我们最终实现对任意圆偏振及椭圆偏振光的精准定量探测。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

作者团队：

目前的探测器主要用于可见光波段内的圆偏振探测，我们打算设计新型材料体系，努力将工作波段扩展至红外和紫外区域，以满足更广泛的光学探测需求。此外，我们还将进一步优化集成阵列器件的结构及制备工艺，提升像素化集成阵列的分辨率，实现更高精度的偏振光成像。针对本工作提出的独特器件构型，我们已经申请了中国发明专利（公开号：CN117580379A），并与相关企业合作推进商业化产品开发。

CellPress：

最后，请与我们分享一下选择Newton发表这项工作的原因。

作者团队：

本工作将光学物理、材料科学与光电器件工程相结合，开发了新型圆偏振光探测器，在极化光检测领域取得了突破性进展。这种跨学科研究符合Newton聚焦基础与应用物理、推动物理前沿突破的宗旨。作为一个新兴但具有巨大潜力的期刊，Newton可以帮助本工作吸引更广泛的国际读者和研究关注，充分展现本工作的科学价值与实际意义。

作者介绍

刘帅君

博士研究生

刘帅君，2019年华东理工大学化学与分子工程学院博士研究生，导师吴永真。

朱为宏

教授

朱为宏，教授，博士生导师，中国科学院院士（2023年）。现任华东理工大学副校长、精细化工研究所所长。国家杰出青年科学基金获得者（2013年），科技部重点研发项目首席科学家，曾入选教育部长江学者特聘教授（2015年）、万人计划科技创新领军人才（2016年）、国务院特殊津贴（2018年）、上海市科技精英（2022年）、教育部新世纪优秀人才（2007年）、上海市学术带头人（2015年）。1992年7月毕业于南京师范大学化学系，1995年7月在南开大学化学系获有机化学硕士学位，1999年7月在华东理工大学获应用化学博士学位。2001年10月至2003年4月日本筑波国立产业技术综合研究院（AIST）纳米研究所博士后研究，2004年7月至2005年3月日本筑波大学先进学际研究中心（TARA Center）外国人研究员（高级访问学者）。专业化学工程（应用化学），长期致力于光敏化学产品工程研究，在光敏化学产品稳定性强化、过程强化、高端化应用取得系列创新成果：围绕光敏化学产品功能化、高端化与稳定性强化新机制，建立D-A-π-A新模型提升稳定性新机制，构筑光控双稳态位阻型光敏产品新体系；基于化工过程的涡流强化，发展宏量、高稳定性光敏产品纳米化制备方法；基于内源手性光控的高端防伪成果处于国际前沿水平，并实现薄膜传感、变色眼镜、变色玻璃等全产业链应用。迄今已在Science、Nature、Nature Photonics、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Adv. Mater.、Matter、Nature Commum.、Energy Environ. Sci.、National Science Review、Sci. China. Chem.、CCS Chem.、AIChE J.、IECR 等期刊上发表 SCI论文350余篇，共被SCI引用近2.5万余次， H指数为84，科睿唯安化学领域“高被引科学家”（Highly Cited Researchers）。申请中国发明专利36项，其中28项已授权，曾获国家自然科学奖二等奖两项（2019年，第一完成人；2007年，第三完成人）、上海市自然科学奖一等奖两项（2017年，第一完成人；2006年，第三完成人）、上海市科技进步奖一等奖（2020年，第一完成人）、上海市牡丹奖等。目前担任中国化工学会染料专委会副主任委员、中国化工学会精细化工专业委员会常务委员等，并担任Green Chemical Engineering 副主编、Smart Molecules 副主编、《过程工程学报》副主编、《影像科学与光化学》常务副主编、Science China Chemistry 编委、ACS Applied Bio Materials (ACS-ABM) 编委、Dyes and Pigments 编委、Green Energy and Environment 编委等。

吴永真

教授

吴永真，华东理工大学化学与分子工程学院教授、博士生导师。2013年博士毕业于华东理工大学应用化学专业，之后在日本国立物质材料研究所（NIMS）从事博士后研究，2016年回国工作。主要研究方向为有机光电功能材料的分子设计、合成及光电功能研究。在Science, Nat. Energy, Matter, Angew. Chem. Int. Ed.,等国际主流学术期刊上发表SCI收录论文100余篇，被SCI他引14000余次，H指数57。入选科睿唯安交叉领域2019-2024年全球高被引研究者，曾获得国家自然科学二等奖、上海市自然科学一等奖、中国化学会青年化学奖等奖励。先后入选上海市东方学者、中国化学会“青年人才托举工程”、国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”和“杰出青年科学基金”等人才项目资助。

郑致刚

教授

郑致刚，华东理工大学物理学院教授、博士生导师。2009年于中国科学院长春光机所获理学博士学位。先后在南京微结构国家实验室和美国肯特先进材料与液晶研究所进行学术研究。从事液晶功能光学材料、结构设计、操控及应用研究。近年来聚焦液晶微结构多自由度、多层级结构构筑；高稳定、强抗疲劳、广动态域多自由度操控；多自由度光场构造与调控应用开发。作为第一和通讯作者在Nature、Nature Photonics、Nature Commun.、Science Adv.、Matter、JACS、Adv. Mater.、Laser Photonics Rev.等期刊发表论文80余篇；获发明专利授权14件。目前主持国家重点研发计划纳米前沿专项、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”、上海市科技创新计划重大项目及企业委托等项目。