论文分享
【国内论文】松山湖材料实验室梅增霞研究员、山东理工大学等团队---由跃迁定则决定的β-Ga₂O₃偏振探测及其在氨基酸检测中的应用
日期：2025-06-23阅读：16
由松山湖材料实验室和山东理工大学的研究团队在学术期刊 Laser & Photonics Reviews 合作发布了一篇名为 Transition-Rule Defined Polarization Detection of β-Ga2O3 for Wavelength-Dependent Sensing of Amino Acid（由跃迁定则决定的 β-Ga2O3 偏振探测及其在氨基酸检测中的应用）的文章。
项目申报
本研究得到国家自然科学基金委员会（Grant Nos. 12174275、62174113、12204471 和 12474073）和山东省高校青年创新团队（Grant No. 2022KJ223）的资助。
背 景
偏振光电探测器在保密通信、偏振成像、三维传感以及手性分子（如生物分子）检测等领域具有关键应用。传统的偏振探测通常需要依赖外部的偏振片或复杂的光栅结构，这增加了系统的体积、成本和复杂性。具有低对称性晶体结构的半导体材料本身就具有各向异性的光学和电学特性，这使其有望用于制造无需外部元件的本征偏振敏感探测器。材料对特定偏振光的吸收由量子力学中的跃迁选择定则决定，该定则规定了电子从价带跃迁到导带的概率。β-Ga2O3 具有复杂且劈裂的价带结构，理论上，从不同价带顶到导带底的电子跃迁对入射光的偏振方向和波长高度敏感。氨基酸是构成蛋白质的基本单元，其对紫外光的吸收率随着波长而变化，本文利用这一特性实现了对氨基酸等生物分子的灵敏检测。
主要内容
本研究提出了一种基于低对称性 β-Ga2O3 材料的波长依赖型偏振探测技术。通过密度泛函理论计算预测了光响应波段对偏振角度的依赖性。通过结合偏振拉曼光谱与偏振透射光谱，验证了 β-Ga2O3 的各向异性光学性质。值得注意的是，当改变 β-Ga2O3 光探测器（PD）的探测波长时，在 245 nm 处偏振比（PR）出现显著的比例反转。具体而言，E//b 与 E//c 方向的光响应对比度（即偏振比 PR）可从 254 nm 时的 75 提升至 263 nm 时的 462，而最小值在 231 nm 时达到 1/388。β-Ga2O3 PD 中波长依赖性偏振探测的独特现象与密度泛函理论计算中关于光电子从分裂价带向导带底选择性跃迁的机制高度一致。最后，利用基于跃迁选择定则定义的深紫外偏振探测器对氨基酸进行鉴别。这项工作证明了在 β-Ga2O3 偏振探测器中对选择性电子跃迁进行精细控制，对于实现高灵敏度和高分辨率的氨基酸检测具有重要意义。
创新点
● 通过将实验观测到的波长依赖性偏振比反转现象与由量子力学跃迁选择定则主导的理论计算直接关联，为理解 β-Ga2O3 的偏振敏感性提供了深刻的物理见解。
● 通过改变工作波长，即可在 β-Ga2O3 探测器中实现偏振比从 462 到 1/388 的超大范围可调特性，这是该领域的一个重要研究进展。
● 提出并展示了 β-Ga2O3 偏振探测器在检测氨基酸方面的新应用，为生化传感开辟了新途径。
图1. a) β-Ga2O3 的光吸收系数。插图显示了(100)面的电子电荷密度。b) Brillouin 区「点处前四价带的计算本征值及导带最低点。不可约表示中的上标+（−）分别表示偶（奇）偶性带态。具有偶数奇性的带态 vb3 和 vb5 未被显示，因为向 cb1 之间的光学跃迁是禁止状态。
图2. a) β-Ga2O3 单晶的 ARPRS 结果。b) A5 g和 B2 g Raman 模式的极坐标图，显示出正交周期性。c) 偏振角从0°到90°的透射光谱。d) 透射率在 300、270 和 250 nm 波长下的极坐标图，与偏振角相关。C1、C2、C3 和 C4 是四个拟合常数。
DOI：
doi.org/10.1002/lpor.202500844
