Adv. Funct. Mater.：2D GeAs高度的面內光、電各向異性

【引言】

各向異性的2D材料具有特殊的光學、電學和熱電性質，因此有望用于各類角度依賴的器件中，例如集成數字逆變器、人造突觸、偏振敏感的光探測器、中紅外偏光器等。晶體結構和對稱性決定著2D材料的基本性能，是理解各向異性結構-性能關系的關鍵。IV-V族化合物，如GeP、GeAs、SiAs，是一類低對稱材料，目前作為一類新型的2D層狀材料而備受關注，具有異于其塊體樣品的性能。2D層狀GeAs材料的穩定性、成鍵和電子特性已經通過理論計算進行了廣泛研究，然而其面內的各向異性還未從實驗上加以研究。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學楊圣雪副教授（第一作者）、蔣成保教授、北京工業大學張永哲教授和美國Rice大學P. M. Ajayan教授等人在Adv. Funct. Mater.發表了題為“Highly In-Plane Optical and Electrical Anisotropy of 2D Germanium Arsenide”的研究論文，報道了2D GeAs材料面內各向異性的最新研究成果。研究團隊首先通過高壓熔融的方法制備了GeAs單晶，然后通過微機械剝離的方法得到不同厚度的2D層狀GeAs片，并轉移到300nm厚的SiO₂/Si(100)襯底上進行角分辨拉曼光譜、反射差分光譜(ADRDM)和偏振分辨電學測試。角分辨的測試結果顯示，低對稱的2D層狀GeAs具有顯著的面內光、電各向異性。ADRDM結果以一種可視化的方式直接證實了層狀GeAs的面內光學各向異性，拉曼強度各向異性與樣品厚度、激發波長和偏振模式密切相關，而少層GeAs場效應晶體管的電學輸運測試結果表明，其zigzag方向的遷移率是armchair方向的數倍(4.6倍)，其值大于ReS₂和黑磷器件。

【圖文導讀】

圖1 2D層狀GeAs的晶體結構和拉曼光譜

(a-b)分別為層狀GeAs晶體結構的側視和俯視圖。紅色和藍色球分別代表Ge和As原子；

(c)密度泛函理論（DFT）方法計算得到的GeAs的拉曼光譜強度；

(d)平行模式下633nm波長(130μW)激發時11nm GeAs片的拉曼光譜；

(e)角分辨拉曼光譜的兩種測試模式(平行和垂直)示意圖。

圖2 2D層狀GeAs的TEM表征和角分辨拉曼光譜

(a-b)分別為11nm GeAs片的HRTEM圖和相應的SAED圖；

(d-c)分別為平行和垂直模式下GeAs片的角分辨拉曼光譜；

(e-f)兩種模式下角分辨拉曼強度的極坐標圖。

圖3?根據拉曼張量模擬的各向異性拉曼強度的極坐標圖

圖4 多層GeAs片的角分辨光學各向異性

(a)通過微機械剝離法轉移到各向同性SiO₂/Si(100)襯底上的多層GeAs片的光學照片。標尺為20μm；

(b)圖(a)中的GeAs片上具有不同厚度的兩個點的ADRDM結果；

(c)不同角度的ADRDM影像(0°~170°，10°/步)。

圖5 少層GeAs FETs的偏振分辨電學輸運測試結果

(a)分別為0°和90°下（晶體取向的zigzag和armchair方向），在300nm SiO₂/p++ Si襯底上的少層GeAs FET的室溫轉移曲線；

(b)GeAs FET在8個方向上的歸一化的場效應遷移率的極坐標圖。

【小結】

本文采用角分辨拉曼光譜、ADRDM、偏振分辨電學輸運測試和相關的理論計算成功地揭示了2D層狀GeAs的面內光、電各向異性，對理解各向異性2D材料的構效關系具有十分重要的意義，也為制備基于2D層狀GeAs和其他低對稱2D材料的高性能器件打下了很好的基礎。

【第一作者簡介】

楊圣雪，北京航空航天大學材料科學與工程學院副教授，于2013年獲得理學博士學位，2013-2015年中國科學院半導體研究所博士后，2016-2017年加州大學洛杉磯分校博士后。研究方向為二維半導體材料，研究領域包括二維材料制備，面內各向異性特性表征，電輸運、光電、磁學性能研究等，共發表SCI論文48篇，包括Nano Lett., 1篇，Appl. Phys. Rev., 2篇，Adv. Mater., 1篇，Adv. Funct. Mater., 1篇，ACS Nano, 1篇，Nano Res., 1篇，ACS Appl. Mater. Interfaces, 2篇，Nanoscale, 5篇等，論文他引1000余次，ESI高被引論文2篇，H因子19。

文獻鏈接：Highly In-Plane Optical and Electrical Anisotropy of 2D Germanium Arsenide?(Adv. Funct. Mater., 2018，DOI: 10.1002/adfm.201707379)

感謝楊圣雪老師對本文的斧正和對材料人編輯部的指導！

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。

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