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。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。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。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。

【成果簡介】

近期，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合作提出一種具有較寬帶隙的面內各向異性材料—GeSe2 （2．74 eV）。研究人員首先通過理論計算研究了GeSe2沿面內的能帶結構，其在x方向和y方向的空穴有效質量分別為～0．755 m0和～1．562 m0，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偏振光照射下表現出顯著的光電流差異，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DFT理論計算表明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。該研究成果以“Air－Stable In－Plane Anisotropic GeSe2 for Highly Polarization－Sensitive Photodetection in Short Wave Region”為題發表在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《物理化學學報》的關注，以《二維GeSe2面內各向異性及短波偏振光探測研究》為題在該學報以“亮點”形式進行了專題報道 （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晶體結構各向異性

（a） GeSe2晶體結構側視圖

（b） GeSe2晶體結構俯視圖

（c） GeSe2三維布里淵區示意圖

（d） GeSe2能帶結構圖

圖3 GeSe2振動和電導各向異性

（a） GeSe2角分辨電導測試器件的光學照片

（b） GeSe2角分辨拉曼光譜

（c） GeSe2角分辨拉曼強度的極坐標圖

（d） 角分辨歸一化電導的極坐標圖

圖4 GeSe2光學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圖

圖5 GeSe2穩定性表征

（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吸附過程

（f） 氧分子在GeSe2上的物理和化學吸附過程

【小結】

本文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。