(a) De configuratie voor de bepaling van het hoekafhankelijke transportgedrag. (b) Hoekafhankelijkheid van de fotostroom van het apparaat bij respectievelijk Vds = 0,5 V en Vds = 1 V. (c) Bovenaanzicht en zijaanzicht van de bijdragende orbitaal aan de fotostroom. Rode pijl geeft de lichtpolarisatiehoek θ aan. (d) De kwantumtransportberekening van fotostroom met verschillende gepolariseerde hoek voor ± 0,5 V en ± 1,0 V voorspanningen, wanneer het licht van de golflengte van 800 nm wordt bestraald. Krediet: Science China Press
Polarisatiegevoelige fotodetectoren (PSPD’s) hebben belangrijke toepassingen in zowel militaire als civiele gebieden. De huidige commerciële PSPD’s vereisen echter de hulp van optische apparaten zoals polarisatoren en fasevertragers om de polarisatie-informatie van licht op te pikken. Het is nog een lastige opgave om filtervrije PSPD’s te realiseren. Wetenschappers uit China en Zuid-Korea bereiden de stabiele gelaagde β-InSe voor en bereiken hoogwaardige filtervrije PSPD’s met een hoge fotostroom anisotrope verhouding van 0,70.
Om de polarisatie-informatie van invallend licht te extraheren, hebben polarisatiegevoelige fotodetectoren (PSPD’s) belangrijke praktische toepassingen in zowel militaire als civiele gebieden, zoals bio-imaging, teledetectie, nachtzicht en op een helm gemonteerde vizieren voor jachtpiloten. Optische filters gecombineerd met polarisatoren zijn meestal nodig voor traditionele fotodetectoren om detectie van gepolariseerd licht te realiseren. Maar dit zal de omvang en complexiteit van apparaten vergroten.
Om een PSPD van klein formaat te verkrijgen, zijn eendimensionale (1D) nanomaterialen met geometrische anisotropie, zoals nanodraden, nanolinten en nanobuizen, gebruikt als de gevoelige materialen voor PSPD’s, die de polarisatie-informatie van invallend licht direct kunnen identificeren zonder enige optische filters en polarisatoren. Het is echter geen gemakkelijke taak om deze 1D-nanokanalen te modelleren en te integreren voor massaproductie van PSPD’s.
Atomair gelaagde tweedimensionale (2D) halfgeleiders met lage kristalsymmetrie hebben recentelijk een groot potentieel in micro-nano PSPD’s vanwege hun intrinsiek in-plane anisotrope eigenschappen. Bijvoorbeeld SnS, ReS2, GeS2, GeAs2, AsP en zwarte fosfor (BP) vertonen een duidelijk anisotropiegedrag in het vlak in dragertransport, thermische geleidbaarheid, elektrische geleidbaarheid, thermo-elektrisch transport en optische absorptieprocessen. Ze hebben potentiële toepassingen in polarisatiegevoelige fotodetectoren, ultrasnelle polarisatielasers, polarisatieveldeffecttransistoren en polarisatiesensoren. Onder hen hebben op BP gebaseerde PSPD’s de hoogste fotostroom-anisotropieverhouding van 0,59, profiterend van de hoge draaggolfmobiliteit en de sterke anisotropie in het vlak die afkomstig is van de laag-symmetrische gebobbelde honingraatkristalstructuur.
Maar op BP gebaseerde opto-elektronische apparaten hebben een moeilijk omgevingsdegradatieprobleem. 2D gelaagd indiumselenide (InSe), dat ook een hoge dragermobiliteit heeft en stabieler is dan BP in een atmosferische omgeving, heeft potentiële toepassingen in hoogwaardige opto-elektronische en elektronische apparaten. Bovendien werden in 2019 de anisotrope optische en elektronische eigenschappen van 2D-gelaagde InSe aangetoond. Met name heeft InSe-kristal drie specifieke polytypen, die zich respectievelijk in β-, γ- en ε-fasen bevinden. Onder hen behoren InSe in γ-fase en ε-fase tot symmetriegroepen. Alleen de InSe in β-fase (β-InSe) behoort tot de niet-symmetrische puntgroep, wat aangeeft dat β-InSe betere anisotrope opto-elektronische eigenschappen vertoont dan de andere twee polytypen.
Om krachtige PSPD’s met een goede stabiliteit te bereiken, bereidt het onderzoeksteam voor geavanceerde opto-elektronische apparaten onder leiding van professor Han Zhang van de Universiteit van Shenzhen de stabiele p-type 2D gelaagde β-InSe via temperatuurgradiëntmethode voor. De anisotrope aard van het β-InSe werd onthuld door hoek-opgeloste Raman. De intensiteit van de trillingsmodi buiten het vlak en in het vlak vertonen uitgesproken periodieke variaties met de polarisatiehoek van de excitaties. Bovendien werd de goede stabiliteit van β-InSe-vlokken en hun FET-apparaten bewezen door langdurige AFM-metingen en multi-repeat elektrische prestatietests.
De experimentele resultaten komen goed overeen met de theoretische berekeningen dat er een sterk anisotroop transport en polarisatiegevoelige fotorespons is in 2D-gelaagde β-InSe-vlokken. De fotostroom anisotrope verhouding van de β-InSe-fotodetector bereikt 0,70, wat hoog scoort bij de PSPD’s op basis van enkel 2D-materiaal. De sterke anisotrope Raman-, transport- en fotoresponseigenschappen van de β-InSe hebben potentiële toepassingen in filtervrije polarisatiegevoelige fotodetectoren.
Zhinan Guo et al, Hoogwaardige polarisatiegevoelige fotodetectoren op tweedimensionale β-InSe, Nationale wetenschappelijke recensie (2021). DOI: 10.1093/nsr/nwab098
Geleverd door Science China Press
