翟天佑和周興團隊 Adv. Funct. Mater.：基于高面內各向異性2D PdSe2的取向選擇性偏振光探測

【背景介紹】

偏振敏感光電探測器在導航、遙感和軍事等領域中具有重要的應用價值。通常，高度靈敏且通用的偏振檢測需要在偏振光電探測器中使用具有高各向異性和易調控性的有源層。平面內各向異性2D材料由于對線性偏振光本征敏感且與現代硅工藝兼容的特性，使其適用于偏振敏感的光檢測器。然而，大多數報道的2D各向異性材料顯示出單軸線性二色性（LD），偏振敏感光電檢測缺乏有效的調控策略，阻礙了其進一步在偏振檢測中的集成光學應用。二硒化鈀（PdSe₂）是一種對空氣穩定的2D層狀材料，具有較高理論室溫遷移率（＞1000 cm² V^-1 s^-1）和可調節的帶隙（0.03-1.3 eV）。同時，PdSe₂具有面內極不對稱的褶皺五邊形結構；且最近報道表明2D PdSe₂薄片具有優異的偏振光檢測能力，有潛力用作LD轉換介質。但是，目前實驗上還未完全揭示2D PdSe₂特殊的不對稱結構與性質的相互關系和在偏振光檢測中取向調控研究。

【成果簡介】

近日，華中科技大學（HUST）翟天佑教授和周興講師（共同通訊作者）等人報道了2D PdSe₂具有強的本征面內各向異性和獨特的取向選擇性，并具有高度靈敏的偏振光檢測能力。反射差分譜（ADRDM）作為一種成像檢測方法，可以快速準確的識別晶體取向并直接可視化PdSe₂薄片的強光學各向異性。此外，室溫下2D PdSe₂薄片電子遷移率的各向異性比可以達到2.3，而當溫度降低至80 K時，電子遷移率的各向異性比可進一步提高到8.9。而且基于PdSe₂薄片的偏振光電探測器可以有效的探測線性偏振光，其中在532 nm激光下的線性二色比為1.8，在369 nm激光下的線性二色比為2.2，并且探測器在紫外和可見光波段的最強極化取向相差90^o，分別對應于a軸和b軸。這種偏振光檢測中的極化反轉現象與偏振光吸收相一致，進一步表明偏振光檢測源于材料本征的線性二色性。2D PdSe₂結合偏振光檢測中獨特的取向選擇性與強的面內各向異性，使其有潛力應用于新一代的偏振敏感光電探測器。研究成果以題為“Highly In-Plane Anisotropic 2D PdSe₂ for Polarized Photodetection with Orientation Selectivity”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上，論文第一作者為華中科技大學2017級博士生皮樂晶。

【圖文解讀】

圖一、2D PdSe₂的晶體結構和偏振拉曼光譜表征
（a）2D PdSe₂的俯視圖和側視圖；

（b）PdSe₂薄片的HRTEM圖像；

（c）PdSe₂（002）平面放的的HRTEM圖像；

（d）在SiO₂/Si襯底上標記的厚度為1.87 nm的PdSe₂薄片的AFM圖像和高度輪廓；

（e）2D PdSe₂薄片在非偏振、平行和垂直模式下的歸一化拉曼光譜；

（f）在平行極化模式下，提取擬合的Ag¹-B_1g¹拉曼峰的強度極坐標圖。

圖二、2D PdSe₂的溫度依賴的拉曼光譜
（a）在298-873 K的溫度范圍內，PdSe₂薄片的拉曼光譜；

（b）溫度依賴的Ag¹-B_1g¹、A³_g，B_1g²和A_g²拉曼峰的峰位和線性擬合。

圖三、2D PdSe₂的ADRDM測試
（a）機械剝離的2D PdSe₂薄片的光學圖像；

（b）在圖（a）中紅色斑點標記的區域，提取擬合的 ADRDM結果的極坐標圖；

（c）不同偏轉角度下PdSe₂薄片的ADRDM成像。

圖四、2D PdSe₂的角分辨電輸運測試
（a）具有六對電極的器件結構的示意圖；

（b）不同角度電極對之間的輸出特性曲線；

（c）提取擬合的角度依賴的電導極坐標圖；

（d）沿a和b軸方向的電子和空穴遷移率比值與溫度的關系。

圖五、2D PdSe₂的偏振吸收光譜
（a） PdSe₂薄片在300 nm-1100 nm波段范圍的偏轉吸收光譜的二維色圖；

（b-c）提取擬合的370 nm和565 nm波長的偏振光吸收強度極坐標圖。

圖六、2D PdSe₂的偏振敏感光探測
（a）基于PdSe₂薄片的偏振敏感光電探測器的示意圖；

（b）用于偏振光檢測的PdSe₂薄片的光鏡圖像；

（c）在532 nm和369 nm的線性偏振光下提取并擬合的歸一化的角分辨光電流極坐標圖。

【小結】

綜上所述，作者證明了2D PdSe₂具有強的本征各向異性和高度敏感的偏振光探測能力以及獨特的取向選擇性。通過ADRDM揭示了2D PdSe₂的強光學各向異性和精確的晶軸取向。角分辨的電輸運測試結果顯示，PdSe₂薄片具有強的電學各向異性并可以通過溫度實現有效調控。同時，其光電探測器在532 nm處的線性二色比高達1.8，在369 nm處的線性二色比高達2.2，且在紫外和可見波段的主要偏振取向相差90^o，分別對應a軸和b軸。此外，線性偏振光檢測與偏振吸收光譜呈現相似的變化趨勢，表明偏振光檢測源自材料本征的線性二色性。總之，該工作強調了2D PdSe₂低對稱五邊形結構與角分辨性質的關聯，并表明PdSe₂是未來新型偏振光檢測和集成光學應用的潛在候選材料。

文獻鏈接：Highly In-Plane Anisotropic 2D PdSe₂ for Polarized Photodetection with Orientation Selectivity（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202006774）

通訊作者簡介

翟天佑，華中科技大學材料科學與工程學院教授、博士生導師，材料成形與模具技術國家重點實驗室副主任，2003年本科畢業于鄭州大學化學系，2008年博士畢業于中國科學院化學研究所（導師：姚建年院士），2008-2012年在日本物質材料研究所先后任JSPS博士后 （合作導師: Yoshio Bando）和ICYS研究員，2013年加入華中科技大學工作。主要從事二維材料與光電器件方面的研究工作，以第一/通訊作者在Chem. Soc. Rev. (4), Adv. Mater. (24), Nat. Commun. (3), J. Am. Chem. Soc. (2), Angew. Chem. (4), ACS Nano (7), Adv. Funct. Mater. (34)等期刊上發表SCI論文230余篇，所有論文SCI引用>17000次，H指數70，2015/2018/2019三次入選全球高被引科學家，是XX計劃科技創新領軍人才、國家杰出青年科學基金、國家優秀青年科學基金、XX計劃青年項目、湖北省創新群體資助對象，曾獲國家自然科學二等獎（5/5）、英國皇家化學會會士、中國化學會青年化學獎和湖北青年五四獎章等。現任《InfoMat》副主編，《Nanomaterials》、《科學通報》、《高等學校化學學報》、《無機化學學報》、《無機材料學報》等期刊編委，任中國硅酸鹽學會青年工作委員會副主任委員、中國化學會青年化學工作委員會委員、中國材料研究學會青年工作委員會理事等。

詳情見：http://zml.mat.hust.edu.cn/info/1008/1140.htm

周興，材料學博士。華中科技大學材料科學與工程學院講師。2017年6月博士畢業于華中科技大學材料科學與工程學院，師從翟天佑教授。2017年7月加入華中科技大學材料科學與工程學院。主要從事二維材料/異質結的可控制備及其光電性能方面的研究工作。目前已發表SCI論文40余篇，論文被引用1500余次，h因子20。以第一/通訊作者身份在Chem. Soc. Rev. (1), Adv. Mater. (2), JACS (1), Matter (1), Adv. Funct. Mater. (10)等期刊上發表論文25篇，4篇ESI高被引論文，5篇封面文章，1篇獲得英國物理學會China Top Cited Author Award，1篇獲得Wiley Top Cited Paper Award。擔任Small, Sci. Rep., InfoMat, Sci. Bull.等期刊獨立審稿人。主持國家青年基金1項。

詳情見：http://zml.mat.hust.edu.cn/info/1008/1126.htm

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本文由CQR編譯。

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