劉忠范

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

(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能帶結(jié)構(gòu)圖；(d) GeSe2角分辨拉曼強(qiáng)度的極坐標(biāo)圖(拉曼位移峰210 cm-1)；(e) GeSe2角分辨歸一化電導(dǎo)的極坐標(biāo)圖(四對電極)；(f) 不同方向線偏振光(450 nm)照射下角分辨歸一化光電流的極坐標(biāo)圖。

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1。近期，幾種其它面內(nèi)各向異性二維材料(如 ReS2、ReSe2、SnS、GeSe等)也被相繼報道2-5。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器等器件中6。其中，偏振光探測由于在通信中的重要地位，被認(rèn)為是近年來非常有發(fā)展?jié)摿Φ囊粋€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雖性能優(yōu)異，但因上述材料帶隙均較小(＜ 2 eV)，在進(jìn)行短波段光偏振探測時還需復(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。

中國科學(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近期一起提出一種具有較寬帶隙的面內(nèi)各向異性材料—GeSe2(2.74 eV)，通過理論計算和實(shí)驗系統(tǒng)研究了該材料的面內(nèi)結(jié)構(gòu)、振動、電學(xué)和光學(xué)的各向異性性質(zhì)，并基于其光學(xué)吸收各向異性構(gòu)筑了新型 GeSe2偏振光光電探測器，首次報道了其在短波段光偏振探測方面的應(yīng)用。由于良好的性能和空氣穩(wěn)定性，GeSe2偏振光探測器展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的Journal of the American Chemical Society上7。

GeSe2是一種典型的IV-VI族化合物，有α、β和γ三種相。該文研究的單斜β-GeSe2具有面內(nèi)各向異性性質(zhì)，是上述三種相中最穩(wěn)定的一種相，帶隙為2.7 eV，吸收系數(shù)約104cm-1，非常適合于短波段偏振光探測。他們首先通過理論計算研究了GeSe2沿面內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)，表明其在x方向和y方向的空穴有效質(zhì)量分別為～0.755m0和～1.562m0，從理論上證實(shí)了其面內(nèi)各向異性。然后，通過角分辨拉曼光譜和角分辨電導(dǎo)測試，顯示了其顯著的面內(nèi)振動和電導(dǎo)各向異性。隨后，基于單個GeSe2納米片構(gòu)筑了光電探測器。在不同方向的450 nm線偏振光照射下表現(xiàn)出顯著的光電流差異，光電流之比為3.4，體現(xiàn)了該材料在短波區(qū)域優(yōu)異的偏振光探測性能。最后，通過實(shí)驗和密度泛函理論(DFT)計算表明 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。