翟天佑和周兴团队 Adv. Funct. Mater.：基于高面内各向异性2D PdSe2的取向选择性偏振光探测

【背景介绍】

偏振敏感光电探测器在导航、遥感和军事等领域中具有重要的应用价值。通常，高度灵敏且通用的偏振检测需要在偏振光电探测器中使用具有高各向异性和易调控性的有源层。平面内各向异性2D材料由于对线性偏振光本征敏感且与现代硅工艺兼容的特性，使其适用于偏振敏感的光检测器。然而，大多数报道的2D各向异性材料显示出单轴线性二色性（LD），偏振敏感光电检测缺乏有效的调控策略，阻碍了其进一步在偏振检测中的集成光学应用。二硒化钯（PdSe₂）是一种对空气稳定的2D层状材料，具有较高理论室温迁移率（＞1000 cm² V^-1 s^-1）和可调节的带隙（0.03-1.3 eV）。同时，PdSe₂具有面内极不对称的褶皱五边形结构；且最近报道表明2D PdSe₂薄片具有优异的偏振光检测能力，有潜力用作LD转换介质。但是，目前实验上还未完全揭示2D PdSe₂特殊的不对称结构与性质的相互关系和在偏振光检测中取向调控研究。

【成果简介】

近日，华中科技大学（HUST）翟天佑教授和周兴讲师（共同通讯作者）等人报道了2D PdSe₂具有强的本征面内各向异性和独特的取向选择性，并具有高度灵敏的偏振光检测能力。反射差分谱（ADRDM）作为一种成像检测方法，可以快速准确的识别晶体取向并直接可视化PdSe₂薄片的强光学各向异性。此外，室温下2D PdSe₂薄片电子迁移率的各向异性比可以达到2.3，而当温度降低至80 K时，电子迁移率的各向异性比可进一步提高到8.9。而且基于PdSe₂薄片的偏振光电探测器可以有效的探测线性偏振光，其中在532 nm激光下的线性二色比为1.8，在369 nm激光下的线性二色比为2.2，并且探测器在紫外和可见光波段的最强极化取向相差90^o，分别对应于a轴和b轴。这种偏振光检测中的极化反转现象与偏振光吸收相一致，进一步表明偏振光检测源于材料本征的线性二色性。2D PdSe₂结合偏振光检测中独特的取向选择性与强的面内各向异性，使其有潜力应用于新一代的偏振敏感光电探测器。研究成果以题为“Highly In-Plane Anisotropic 2D PdSe₂ for Polarized Photodetection with Orientation Selectivity”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上，论文第一作者为华中科技大学2017级博士生皮乐晶。

【图文解读】

图一、2D PdSe₂的晶体结构和偏振拉曼光谱表征
（a）2D PdSe₂的俯视图和侧视图；

（b）PdSe₂薄片的HRTEM图像；

（c）PdSe₂（002）平面放的的HRTEM图像；

（d）在SiO₂/Si衬底上标记的厚度为1.87 nm的PdSe₂薄片的AFM图像和高度轮廓；

（e）2D PdSe₂薄片在非偏振、平行和垂直模式下的归一化拉曼光谱；

（f）在平行极化模式下，提取拟合的Ag¹-B_1g¹拉曼峰的强度极坐标图。

图二、2D PdSe₂的温度依赖的拉曼光谱
（a）在298-873 K的温度范围内，PdSe₂薄片的拉曼光谱；

（b）温度依赖的Ag¹-B_1g¹、A³_g，B_1g²和A_g²拉曼峰的峰位和线性拟合。

图三、2D PdSe₂的ADRDM测试
（a）机械剥离的2D PdSe₂薄片的光学图像；

（b）在图（a）中红色斑点标记的区域，提取拟合的 ADRDM结果的极坐标图；

（c）不同偏转角度下PdSe₂薄片的ADRDM成像。

图四、2D PdSe₂的角分辨电输运测试
（a）具有六对电极的器件结构的示意图；

（b）不同角度电极对之间的输出特性曲线；

（c）提取拟合的角度依赖的电导极坐标图；

（d）沿a和b轴方向的电子和空穴迁移率比值与温度的关系。

图五、2D PdSe₂的偏振吸收光谱
（a） PdSe₂薄片在300 nm-1100 nm波段范围的偏转吸收光谱的二维色图；

（b-c）提取拟合的370 nm和565 nm波长的偏振光吸收强度极坐标图。

图六、2D PdSe₂的偏振敏感光探测
（a）基于PdSe₂薄片的偏振敏感光电探测器的示意图；

（b）用于偏振光检测的PdSe₂薄片的光镜图像；

（c）在532 nm和369 nm的线性偏振光下提取并拟合的归一化的角分辨光电流极坐标图。

【小结】

综上所述，作者证明了2D PdSe₂具有强的本征各向异性和高度敏感的偏振光探测能力以及独特的取向选择性。通过ADRDM揭示了2D PdSe₂的强光学各向异性和精确的晶轴取向。角分辨的电输运测试结果显示，PdSe₂薄片具有强的电学各向异性并可以通过温度实现有效调控。同时，其光电探测器在532 nm处的线性二色比高达1.8，在369 nm处的线性二色比高达2.2，且在紫外和可见波段的主要偏振取向相差90^o，分别对应a轴和b轴。此外，线性偏振光检测与偏振吸收光谱呈现相似的变化趋势，表明偏振光检测源自材料本征的线性二色性。总之，该工作强调了2D PdSe₂低对称五边形结构与角分辨性质的关联，并表明PdSe₂是未来新型偏振光检测和集成光学应用的潜在候选材料。

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

通讯作者简介

翟天佑，华中科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，材料成形与模具技术国家重点实验室副主任，2003年本科毕业于郑州大学化学系，2008年博士毕业于中国科学院化学研究所（导师：姚建年院士），2008-2012年在日本物质材料研究所先后任JSPS博士后 （合作导师: Yoshio Bando）和ICYS研究员，2013年加入华中科技大学工作。主要从事二维材料与光电器件方面的研究工作，以第一/通讯作者在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)等期刊上发表SCI论文230余篇，所有论文SCI引用>17000次，H指数70，2015/2018/2019三次入选全球高被引科学家，是XX计划科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、XX计划青年项目、湖北省创新群体资助对象，曾获国家自然科学二等奖（5/5）、英国皇家化学会会士、中国化学会青年化学奖和湖北青年五四奖章等。现任《InfoMat》副主编，《Nanomaterials》、《科学通报》、《高等学校化学学报》、《无机化学学报》、《无机材料学报》等期刊编委，任中国硅酸盐学会青年工作委员会副主任委员、中国化学会青年化学工作委员会委员、中国材料研究学会青年工作委员会理事等。

详情见：http://zml.mat.hust.edu.cn/info/1008/1140.htm

周兴，材料学博士。华中科技大学材料科学与工程学院讲师。2017年6月博士毕业于华中科技大学材料科学与工程学院，师从翟天佑教授。2017年7月加入华中科技大学材料科学与工程学院。主要从事二维材料/异质结的可控制备及其光电性能方面的研究工作。目前已发表SCI论文40余篇，论文被引用1500余次，h因子20。以第一/通讯作者身份在Chem. Soc. Rev. (1), Adv. Mater. (2), JACS (1), Matter (1), Adv. Funct. Mater. (10)等期刊上发表论文25篇，4篇ESI高被引论文，5篇封面文章，1篇获得英国物理学会China Top Cited Author Award，1篇获得Wiley Top Cited Paper Award。担任Small, Sci. Rep., InfoMat, Sci. Bull.等期刊独立审稿人。主持国家青年基金1项。

详情见：http://zml.mat.hust.edu.cn/info/1008/1126.htm

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本文由CQR编译。

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