二維GeSe2面內(nèi)各向異性及短波偏振光探測(cè)的研究

作為一種新型的二維半導(dǎo)體材料，黑磷因其獨(dú)特的面內(nèi)各向異性引起了研究人員的廣泛關(guān)注。近期，幾種其它面內(nèi)各向異性二維材料（如ReS2、ReSe2；SnS、GeSe等）也被相繼報(bào)道。此類材料獨(dú)特的面內(nèi)各向異性使其區(qū)別于以往的石墨烯、MoS2等面內(nèi)各向同性二維材料，表現(xiàn)出特殊的電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械和熱學(xué)性能，并被成功應(yīng)用于集成電路中的反相器、基于晶向的二極管、人造突觸和偏振光光電探測(cè)器等器件中。其中，偏振光探測(cè)由于在通信中的重要地位，被認(rèn)為是近年來(lái)非常有發(fā)展?jié)摿Φ囊粋€(gè)研究領(lǐng)域。目前，基于黑磷、ReS2、GeSe等面內(nèi)各向異性材料的偏振光探測(cè)雖性能優(yōu)異，但因上述材料帶隙均較?。ǎ?2 eV），在進(jìn)行短波段光偏振探測(cè)時(shí)還需復(fù)雜及昂貴的光學(xué)系統(tǒng)將其理想的光探范圍調(diào)至短波段。

【成果簡(jiǎn)介】

近期，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所胡勁松研究員課題組與北京大學(xué)張耿民教授課題組等合作提出一種具有較寬帶隙的面內(nèi)各向異性材料—GeSe2 （2．74 eV）。研究人員首先通過(guò)理論計(jì)算研究了GeSe2沿面內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)，其在x方向和y方向的空穴有效質(zhì)量分別為～0．755 m0和～1．562 m0，從理論上證實(shí)了其面內(nèi)各向異性。然后，通過(guò)角分辨拉曼光譜和角分辨電導(dǎo)測(cè)試，顯示了其顯著的面內(nèi)振動(dòng)和電導(dǎo)各向異性。隨后，基于單個(gè)GeSe2納米片構(gòu)筑了光電探測(cè)器。在不同方向的450 nm偏振光照射下表現(xiàn)出顯著的光電流差異，體現(xiàn)了該材料在短波區(qū)域優(yōu)異的偏振光探測(cè)性能。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和DFT理論計(jì)算表明GeSe2具有較高的吸附氧活化能（2．12 eV；遠(yuǎn)高于黑磷的0．71 eV），因而表現(xiàn)優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性。該研究成果以“Air－Stable In－Plane Anisotropic GeSe2 for Highly Polarization－Sensitive Photodetection in Short Wave Region”為題發(fā)表在Journal of the American Chemical Society期刊上。博士研究生楊雨思和劉順暢為共同第一作者，薛丁江副研究員為共同通訊作者。該工作剛剛上線后即受到《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》的關(guān)注，以《二維GeSe2面內(nèi)各向異性及短波偏振光探測(cè)研究》為題在該學(xué)報(bào)以“亮點(diǎn)”形式進(jìn)行了專題報(bào)道 （Acta Phys．–Chim Sin．， 2018， DOI： 10．3866／PKU．WHXB201803142）。

圖1 GeSe2納米片材料表征

（a） 膠帶剝離GeSe2薄片的AFM圖像

（b） 不同厚度GeSe2納米片的拉曼光譜

（c） GeSe2納米片的SAED圖像

（d） GeSe2納米片的HRTEM圖像

圖2 GeSe2晶體結(jié)構(gòu)各向異性

（a） GeSe2晶體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

（b） GeSe2晶體結(jié)構(gòu)俯視圖

（c） GeSe2三維布里淵區(qū)示意圖

（d） GeSe2能帶結(jié)構(gòu)圖

圖3 GeSe2振動(dòng)和電導(dǎo)各向異性

（a） GeSe2角分辨電導(dǎo)測(cè)試器件的光學(xué)照片

（b） GeSe2角分辨拉曼光譜

（c） GeSe2角分辨拉曼強(qiáng)度的極坐標(biāo)圖

（d） 角分辨歸一化電導(dǎo)的極坐標(biāo)圖

圖4 GeSe2光學(xué)各向異性及偏振光探性能表征

（a） GeSe2納米片的吸收光譜

（b） GeSe2納米片的禁帶寬度擬合曲線

（c） GeSe2層內(nèi)x和y方向的理論吸收光譜

（d） GeSe2角分辨吸收光譜

（e） GeSe2光電探測(cè)器示意圖

（f） 不同方向線偏振光下角分辨歸一化光電流的極坐標(biāo)圖

圖5 GeSe2穩(wěn)定性表征

（a） 新剝離GeSe2的AFM圖像

（b） 空氣中放置30天后GeSe2的AFM圖像

（c） 新剝離GeSe2的Raman面掃圖像

（d） 空氣中放置30天后GeSe2的Raman面掃圖像

（e） 氧分子在黑磷上的物理和化學(xué)吸附過(guò)程

（f） 氧分子在GeSe2上的物理和化學(xué)吸附過(guò)程

【小結(jié)】

本文提出一種具有較寬帶隙的面內(nèi)各向異性材料—GeSe2 （2．74 eV），通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了該材料的面內(nèi)結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、電學(xué)和光學(xué)各向異性性質(zhì)，并基于其光學(xué)吸收各向異性構(gòu)筑了新型GeSe2偏振光光電探測(cè)器，首次報(bào)道了其在短波段光偏振探測(cè)方面的應(yīng)用。由于良好的性能和空氣穩(wěn)定性，GeSe2偏振光探測(cè)器展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。