二維GeSe2面內各向異性及短波偏振光探測研究

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

(a) GeSe2晶體結構側視圖；(b) GeSe2晶體結構俯視圖；(c) GeSe2能帶結構圖；(d) GeSe2角分辨拉曼強度的極坐標圖(拉曼位移峰210 cm-1)；(e) GeSe2角分辨歸一化電導的極坐標圖(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圖。

作為一種新型的二維半導體材料，黑磷因其獨特的面內各向異性引起了研究人員的廣泛關注1。近期，幾種其它面內各向異性二維材料(如 ReS2、ReSe2、SnS、GeSe等)也被相繼報道2-5。此類材料獨特的面內各向異性使其區別于以往的石墨烯、MoS2等面內各向同性二維材料，表現出特殊的電學、光學、機械和熱學性能，并被成功應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，被認為是近年來非常有發展潛力的一個研究領域。目前，基于黑磷、ReS2、GeSe等面內各向異性材料的偏振光探測雖性能優異，但因上述材料帶隙均較小(＜ 2 eV)，在進行短波段光偏振探測時還需復雜及昂貴的光學系統將其理想的光探范圍調至短波段。

中國科學院化學研究所胡勁松研究員課題組與北京大學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各向異性材料—GeSe2(2.74 eV)，通過理論計算和實驗系統研究了該材料的面內結構、振動、電學和光學的各向異性性質，并基于其光學吸收各向異性構筑了新型 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用。由于良好的性能和空氣穩定性，GeSe2偏振光探測器展現出良好的應用前景。相關研究成果發表在近期的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具有面內各向異性性質，是上述三種相中最穩定的一種相，帶隙為2.7 eV，吸收系數約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沿面內的能帶結構，表明其在x方向和y方向的空穴有效質量分別為～0.755m0和～1.562m0，從理論上證實了其面內各向異性。然后，通過角分辨拉曼光譜和角分辨電導測試，顯示了其顯著的面內振動和電導各向異性。隨后，基于單個GeSe2納米片構筑了光電探測器。在不同方向的450 nm線偏振光照射下表現出顯著的光電流差異，光電流之比為3.4，體現了該材料在短波區域優異的偏振光探測性能。最后，通過實驗和密度泛函理論(DFT)計算表明 GeSe2具有較高的吸附氧活化能(2.12 eV；遠高于黑磷的0.71 eV)，因而表現優異的空氣穩定性。