自然界光大部分经过大气散射、折射和反射等过程，因此多为部分偏振光。偏振是光的一个重要信息，偏振探测可以把信息量从三维(光强、光谱和空间)扩充到七维(光强、光谱、空间、偏振度、偏振方位角、偏振椭率和旋转的方向)。
任何目标在反射和发射电磁辐射的过程中都会表现出由它们自身特性(例如粗糙度、空隙度、含水量、构成材料的理化特性等)和光学基本定律(例如菲涅耳公式)所决定的偏振特性。
低维纳米材料也不例外。
二维材料
石墨烯自从2004年被发现以来，开辟了二维材料的研究方向与热潮。十多年来，各种各样的二维材料，比如石墨烯、二硫化钼、黑磷等被各种研究，其中对光有偏振敏感性的有--石墨烯纳米带、黑磷、黑砷磷、黑磷碳、锗磷、硫化铼、硒化铼、硫化锗和硒化锗等。原则上来说，各向异性的材料都具有偏振光敏感性。
a. 石墨烯纳米带
石墨烯本身对偏振光没有选择性。2013年IBM研究院的Marcus Freitag和PhaedonAvouris等人报道了一种条状石墨烯红外偏振探测器。将石墨烯刻蚀成纳米带阵列结构(长度30 μm，宽度140 nm)，由于光激发的等离子体-声子和电子-空穴在沟道的衰减差异，光电流在纳米级阵列中表现出偏振敏感性。从而10.6 µm的中红外波段，15的消光比已被取得。
b. 黑磷
黑磷的极化灵敏度来源于该材料的面内光学各向异性产生的强内禀线性二色性，如图1所示，具有矩形面内晶格的层状黑磷晶体沿着x方向和y方向具有高度各向异性结构，每两行磷原子交替地上下折叠以形成仅沿着x方向的“扶手椅”几何形状，该结构可以轻易探测平行或垂直于x轴的偏振光的不同吸收。由于单层黑磷的带隙是0.3 eV，所以理论上黑磷能够响应到4.1 μm波长的红外光。目前对黑磷各向异性的研究工作较多，其中2015年，耶鲁大学王肖沐和夏丰年等人对黑磷进行了x，y，45°偏振光表征，如图2所示，可以明显看到黑磷对x轴红外偏振光最敏感。
图1 黑磷原子空间结构示意图
图2 黑磷偏振响应图
同年，斯坦福大学袁洪涛和崔屹等人将一块黑磷薄片制作成上下垂直pn结，有效分离光生载流子，如图3所示，同时制作一个环状电极，消除电极/黑磷边缘对偏振探测的干扰。结果显示黑磷具有明显的偏振光敏感性。
图3 黑磷器件和偏振响应图
黑磷的偏振研究工作还有很多，在此就不一一赘述了。
c. 黑砷磷、黑磷碳、锗磷
20年前，有报道将砷元素掺杂进黑磷块体中，结果在10 K温度下表现出超导特性。最近黑砷磷薄层被制作出来。类似于黑磷，黑砷磷属于斜方晶系，具有天然的纳米级褶皱蜂巢晶格结构，并且表现出高度各项异性结构。2015年上海技术物理研究所龙明生和胡伟达等人成功制作出黑砷磷8微米波长偏振器件。
此外，碳元素和锗元素同样可以掺杂到黑磷中，且仍然保持晶格原有的“扶手椅”空间几何结构，它们不仅能将探测波长拓展到长波红外，而且具有极高迁移率特性，它们将会是红外偏振器件的有力角逐者。
d. 硫化铼与硒化铼
在二维材料中，硫化铼与硒化铼是新星材料，它们具有稳定的扭曲1T相，该相的Peierls畸变导致沿着平面中的晶格矢量方向出现折曲的S(或Se)层和锯齿状的Re链。其中铼链的一维排列导致强烈的面内各向异性，这种不对称结构键的强各向异性会导致许多各向异性行为，例如其平行和垂直方向的电学和光学性质差异。此外，扭曲结构导致其属于三斜晶系，这与其他具有六方对称结构的各向同性二维材料显著不同。因此它们对偏振光具有极好的敏感性，如图4所示，为2016年复旦大学修发贤等与上海技术物理研究所胡伟达等联合研制的硫化铼单器件的偏振响应结果。
图4 硫化铼器件偏振响应图
事实上，如果将硫化铼与硒化铼做成异质结器件，像黑磷与其他二维材料结合制作的复合结构，同样具有优秀的偏振光敏感性。
e. 硫化锗和硒化锗
另外，二维材料MX(M = Ge,Sn和X = Se,S)的原子空间排布类似于硫化铼，硒化铼和黑磷，晶体结构同样具有“扶手椅”几何形状，沿扶手椅和锯齿形方向具有光电学各向异性，拉曼表征能够证实这一点，它们也是优秀的偏振探测材料。
一维材料
纳米线是典型的一维材料，原则上来说，只要纳米线的直径小于入射波长，则都有偏振特性，也包括低温超导纳米线。另外还有一些碳纳米管也具有偏振特性。
a. 纳米线
一维纳米线的偏振对比度不仅取决于直径与入射光波长的对比，还与纳米线与环境的介电常数的对比。当纳米线的直径小于入射光时，偏振比可以通过经典电磁学推出。当入射光的偏振方向平行于纳米线时，其电场不会衰减，但是当垂直于纳米线时，则按照公式衰减：，其中Ei(Ee)是纳米线内部(外部)场强，ε(ε0)是纳米线(环境)的介电常数。基于以上理论，2001年Lieber等人在实验中验证了真空中InP纳米线的偏振比96％，与它的介电常数12.4相符合。
当纳米线的直径进一步减小时，其偏振各向异性归因于量子限域效应引起的价带混合。而且这种量子效应产生的偏振比一般小于经典电磁学的偏振比。目前已在多种纳米线中观测到偏振效应，包括GaN、ZnO、ZnS/Se、CdS/Se、银纳米线和硅纳米线等。
超导纳米线也具有偏振特性。超导纳米线主要应用在军事、医学、量子通信、遥感、天文领域。在这些领域往往需要偏振编码，目前手段是前置偏振片检测入射光子的偏振态，若探测器本身就具有偏振检测功能，将极大提高系统集成度。
b. 碳纳米管
碳纳米管也属于一维材料，像纳米线一样具有各向异性，对不同偏振入射光有不同的衰减比例，因此也具有偏振特性，在实验中也确实观测到了单壁碳纳米管的偏振特性。
总结
原则上来说，在空间上具有各向异性的材料都具有偏振敏感性。同时能探测强度与偏振信息的集成红外光电探测器是目前的发展方向，而且可制作于柔性衬底上的探测器并且发展出可穿戴设备是未来发展的一大趋势。这其中二维材料和一维纳米材料的研究一直如火如荼，并且展示出独有的优越性质，正好满足发展需求，将会大放光彩。
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