二维GeSe2面内各向异性及短波偏振光探测的研究

作为一种新型的二维半导体材料，黑磷因其独特的面内各向异性引起了研究人员的广泛关注。近期，几种其它面内各向异性二维材料（如ReS2、ReSe2；SnS、GeSe等）也被相继报道。此类材料独特的面内各向异性使其区别于以往的石墨烯、MoS2等面内各向同性二维材料，表现出特殊的电学、光学、机械和热学性能，并被成功应用于集成电路中的反相器、基于晶向的二极管、人造突触和偏振光光电探测器等器件中。其中，偏振光探测由于在通信中的重要地位，被认为是近年来非常有发展潜力的一个研究领域。目前，基于黑磷、ReS2、GeSe等面内各向异性材料的偏振光探测虽性能优异，但因上述材料带隙均较小（＜ 2 eV），在进行短波段光偏振探测时还需复杂及昂贵的光学系统将其理想的光探范围调至短波段。

【成果简介】

近期，中国科学院化学研究所胡劲松研究员课题组与北京大学张耿民教授课题组等合作提出一种具有较宽带隙的面内各向异性材料—GeSe2 （2．74 eV）。研究人员首先通过理论计算研究了GeSe2沿面内的能带结构，其在x方向和y方向的空穴有效质量分别为～0．755 m0和～1．562 m0，从理论上证实了其面内各向异性。然后，通过角分辨拉曼光谱和角分辨电导测试，显示了其显著的面内振动和电导各向异性。随后，基于单个GeSe2纳米片构筑了光电探测器。在不同方向的450 nm偏振光照射下表现出显著的光电流差异，体现了该材料在短波区域优异的偏振光探测性能。最后，通过实验和DFT理论计算表明GeSe2具有较高的吸附氧活化能（2．12 eV；远高于黑磷的0．71 eV），因而表现优异的空气稳定性。该研究成果以“Air－Stable In－Plane Anisotropic GeSe2 for Highly Polarization－Sensitive Photodetection in Short Wave Region”为题发表在Journal of the American Chemical Society期刊上。博士研究生杨雨思和刘顺畅为共同第一作者，薛丁江副研究员为共同通讯作者。该工作刚刚上线后即受到《物理化学学报》的关注，以《二维GeSe2面内各向异性及短波偏振光探测研究》为题在该学报以“亮点”形式进行了专题报道 （Acta Phys．–Chim Sin．， 2018， DOI： 10．3866／PKU．WHXB201803142）。

图1 GeSe2纳米片材料表征

（a） 胶带剥离GeSe2薄片的AFM图像

（b） 不同厚度GeSe2纳米片的拉曼光谱

（c） GeSe2纳米片的SAED图像

（d） GeSe2纳米片的HRTEM图像

图2 GeSe2晶体结构各向异性

（a） GeSe2晶体结构侧视图

（b） GeSe2晶体结构俯视图

（c） GeSe2三维布里渊区示意图

（d） GeSe2能带结构图

图3 GeSe2振动和电导各向异性

（a） GeSe2角分辨电导测试器件的光学照片

（b） GeSe2角分辨拉曼光谱

（c） GeSe2角分辨拉曼强度的极坐标图

（d） 角分辨归一化电导的极坐标图

图4 GeSe2光学各向异性及偏振光探性能表征

（a） GeSe2纳米片的吸收光谱

（b） GeSe2纳米片的禁带宽度拟合曲线

（c） GeSe2层内x和y方向的理论吸收光谱

（d） GeSe2角分辨吸收光谱

（e） GeSe2光电探测器示意图

（f） 不同方向线偏振光下角分辨归一化光电流的极坐标图

图5 GeSe2稳定性表征

（a） 新剥离GeSe2的AFM图像

（b） 空气中放置30天后GeSe2的AFM图像

（c） 新剥离GeSe2的Raman面扫图像

（d） 空气中放置30天后GeSe2的Raman面扫图像

（e） 氧分子在黑磷上的物理和化学吸附过程

（f） 氧分子在GeSe2上的物理和化学吸附过程

【小结】

本文提出一种具有较宽带隙的面内各向异性材料—GeSe2 （2．74 eV），通过理论计算和实验系统研究了该材料的面内结构、振动、电学和光学各向异性性质，并基于其光学吸收各向异性构筑了新型GeSe2偏振光光电探测器，首次报道了其在短波段光偏振探测方面的应用。由于良好的性能和空气稳定性，GeSe2偏振光探测器展现出良好的应用前景。