二维GeAs中二向色性的垂直光学反转和偏振光探测器

高性能的光电探测器是光电领域中应用技术的核心。探测器的光谱探测范围已经实现从紫外到红外的宽波段探测，同时还可以通过加入更多的光学参数，实现例如偏振光探测等特殊应用。偏振探测器在偏振传感、偏振光谱图、光学雷达等方面有广泛的应用。近年来，新型的二维半导体等材料也开始显示出在偏振光探测方面的优异性能。

最近，中国科学院半导体研究所魏钟鸣研究员、李京波研究员团队，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员、王建禄研究员团队和美国亚利桑那州立大学Sefaattin Tongay团队合作，研究了具有面内各向异性的二维材料-砷化锗(GeAs)的偏振光探测器，并且发现GeAs的光学偏振反转现象，该工作已经发表在ACS Nano，论文的第一作者是半导体所博士生周子琦和上海技物所龙明生助理研究员。

GeAs是四五族化合物并且具有各向异性的单斜结构晶体，在二维的单层平面内显示出有序的一维原子链堆积，高质量的二维GeAs晶体展示出显著的角度依赖拉曼光谱。通过测量材料对偏振光的吸收光谱及其将其制备成了偏振敏感的光探测器，可以证实GeAs晶体具有明显的面内各向异性。基于GeAs的光探测器还展示出了卓越的偏振光响应特性和快速的开关特性。当波长从可见光拓展到近红外光范围时，二维GeAs纳米片对偏振光最强敏感方向发生了偏转，实验显示反转角度为75~80度。这一现象在偏振光吸收光谱和偏振光探测器中均得到证实。在基于GeAs晶体制备的偏振敏感的光探测器中，器件展现出良好的各向异性性能，具有超高的二向色性比（在520 nm光下，二向色性比为1.49；在830 nm光下，二向色性比为4.4）。通过测量偏振下的三维光电流图像，发现器件的偏振光电流主要产生于电极和GeAs接触的肖特基结中，该实验结果与第一性原理计算的结果相符合。

下图左侧图为GeAs光探测器以及测试原理的理论模型。右侧图为将不同角度的偏振光照射下的光电流提取出来展示在极坐标下。从角度依赖的光电流图中可以看出，在520 nm和830 nm下器件均展示出良好的可重复性的各向异性特性。在520 nm的线性偏振光下，器件的二向色性比I pmax /I pmin ~ 1.49；在830 nm的线性偏振光下，二向色性比I pmax /I pmin ~ 4.4。在极坐标中，可以清晰的看到光响应最强方向的反转现象。反转角度为75°，这与偏振吸收谱中反转80°基本一致。在测量器件的光响应性能中得出，对于GeAs纳米薄片的器件，对光的响应时间为52 ms，光照停止后电流的恢复时间为55 ms。对于少层GeAs（4层）的器件，在520 nm线性偏振光下二向色性比为I pmax /I pmin ~ 1.78。

下图为三维光电流图像，展示出了器件在光照射下光电流的分布情况。可以看出，对于GeAs光探测器来说，光响应主要发生在材料与电极接触而产生的肖特基势垒中。测量中，使用了520 nm和830 nm两种波长的线性偏振光，在不同偏振方向下对器件进行了测试。更形象直观的探测到器件对偏振光响应的各向异性以及在可见和红外区光响应最强角度的反转现象。从光电流分布图中，可以看出反转角度为80°，与吸收谱相符合。

总体来说，该论文系统地研究了二维GeAs的面内各向异性。首先，测量垂直/平行模式和角度依赖模式的拉曼光谱，以此来分析GeAs晶体结构的面内各向异性。其次，对GeAs纳米薄片测量偏振光的吸收光谱，测量光谱的范围为400-2000 nm，发现了材料具有线性二向色性并且发现材料对偏振光最强的吸收方向有80°反转现象。制备了基于GeAs晶体的光探测器，并且在520 nm和830 nm的线性偏振光照射下测试器件的光响应性能。在两种线性偏振光的照射下，器件均显示出了卓越的可重复性的角度依赖光响应，重复周期为180°。并且发现与吸收谱相似的反转现象，最强的光响应方向在520 nm和830 nm光下有75°的夹角。接下来，为了研究器件光电信号的来源，测量了器件的偏振依赖的三维光电流图。在此发现，肖特基结是光电流的主要来源。同时，最强光响应的反转现在也体现在角度依赖的三维光电流图像中。进一步，使用基于密度泛函理论的第一性原理计算分析了反转现象和肖特基势垒。这些结果都显出了二维GeAs晶体在偏振探测领域有很好的应用潜力。

该论文作者为：Ziqi Zhou, Mingsheng Long, Longfei Pan, Xiaoting Wang, Mianzeng Zhong, Mark Blei, Jianlu Wang, Jingzhi Fang, Sefaattin Tongay, Weida Hu, Jingbo Li, Zhongming We

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Perpendicular Optical Reversal of the Linear Dichroism and Polarized Photodetection in 2D GeAs

ACS Nano, 2018, 12, 12416–12423, DOI: 10.1021/acsnano.8b06629

导师介绍

魏钟鸣

https://www.x-mol.com/university/faculty/26828

李京波

https://www.x-mol.com/university/faculty/26827