Small | 南京理工大学陈哲生&张再兰报道了具有可切换光电流极性特性的各向异性 PdSe₂/GeAs 异质结构,用于偏振成像和可编程逻辑门

具有正交、单斜或三斜结构（如黑磷（bP）、锗砷（GeAs）和锡硒（SnSe））的各向异性二维材料表现出沿平面方向的依赖性光学和电学特性，这是由于其不对称的晶体结构所致。在这些各向异性材料中，平面角度可以作为额外的自由度来调控材料特性，为偏振成像和光学通信提供了巨大潜力。锗砷和钯硒化物（PdSe₂）是最近发现的二维各向异性半导体材料，它们在光电设备中表现出出色的性能和卓越的特性。锗砷具有较高的空穴载流子迁移率，迁移率的各向异性比高达 4.6，高于其他各向异性二维材料（如bP）。陈哲生教授课题组之前的研究表明，GeAs的间接电子带隙约为 0.83 eV（Appl. Phys. Lett. 2024, 125, 182106）。此外，基于锗砷的晶体管对 1.6 µm辐射显示出显著且迅速的光响应，光响应度为 6 A/W，上升和下降时间约为 3 ms。另一方面，钯硒化物具有独特的五边形原子结构和出色的空气稳定性。与 GeAs 不同，厚层 PdSe₂ 的带隙非常狭窄，而且当厚度减小至单层时，其带隙会显著增大。 五边形晶体结构还赋予了 PdSe₂ 出色的各向异性传输特性和光电响应。例如，偏振分辨光电探测测量显示，在 532 nm处具有高达约 1.8 的各向异性行为，在 369 nm处则约为 2.2，其中主导的偏振方向沿 a 轴和 b 轴不同。

所有这些特性凸显了 GeAs 和 PdSe₂ 在偏振光电探测方面的巨大潜力。将不同的二维材料堆叠在一起提供了形成具有所需特性的异质结的机会，这些特性可以用于功能性器件，因为它们得益于强烈的层间耦合。相邻材料之间的能带混合或目标转移在相邻材料之间诱导出明显的能带弯曲和内置电位。然而，迄今为止的大多数研究都集中在基于非各向异性材料的异质结上。对仅由各向异性材料组成的异质结构的探索仍然有限，但其重要性极高，因为其性能可以通过两种材料的平面角度进行调谐。

鉴于此，南京理工大学陈哲生教授课题组及其合作者系统研究了 PdSe₂/GeAs 各向异性材料异质结构的界面特性及器件应用。相关成果近期发表在 Small 期刊上。陈哲生教授课题组硕士生周刚强为论文第一作者，合作单位包括法国Soleil同步辐射光源。在这项工作中，该团队首次制造了一种自驱动、偏振敏感的光电探测器，基于 PdSe₂/GeAs 异质结。PdSe₂/GeAs 器件在 532 nm激光照射下实现了 680 mA/W的响应度和 1.1×10¹¹ Jones的比探测率。外量子效率（EQE）高达 158%，具有 5.42 和 3.78 ms的快速上升和下降时间。此外，两种材料的本征各向异性使得能够进行偏振敏感检测，便于偏振分辨成像和卷积图像处理。此外，通过调节栅极电压可以实现正负光电流之间的极化切换（PPC/NPC）。结合光功率、偏置电压和极化角度的多模式协同控制，PdSe₂/GeAs 器件能够实现可编程光子逻辑门。这些结果凸显了二维各向异性异质结构在偏振敏感型光电探测器以及多功能光电应用方面的潜在价值。