【人物与科研】中山大学于鹏课题组：一种具有高度面内光学、电子、光电各向异性的新型2D五边形材料，可实现高偏振灵敏度

导语

由于在下一代各向异性多功能器件中的应用，如偏振敏感的光电探测器、线偏振脉冲发生器、高增益数字反相器和各向异性存储器等，具有本征面内各向异性的低对称性2D材料已成为2D领域的主要研究方向。虽然目前仅发现了几种面内各向异性2D材料，且大多在各向异性器件应用中存在稳定性差、各向异性比低、电流开/关比低等缺点，极大地限制了它们在各向异性光学、电子学和光电子学中的应用。然而，未来基于各向异性器件的集成电路迫切需要发现具有优异综合性能（特别是高空气稳定性和各向异性比）的新型面内各向异性2D材料。基于此，近日中山大学于鹏课题组与中山大学高平奇教授、广东工业大学赵伟娜副教授合作报道了一种具有低对称性褶皱五边形结构的新型2D五边形材料Penta-PdPSe；基于该材料构筑的偏振光极性探测器件可实现6.17的高偏振灵敏度，这使得Penta-PdPSe成为设计下一代各向异性器件的理想材料。文章以“Penta-PdPSe: A New 2D Pentagonal Material with Highly In-Plane Optical, Electronic, and Optoelectronic Anisotropy”为题发表在期刊Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202102541）上。

于鹏副教授简介

于鹏，中山大学副教授、光电材料与技术国家重点实验室固定成员；主要研究领域为新型二维量子材料及器件的开发，以围绕二维量子光电子和电磁材料的种类多样化与应用导向化及解决二维量子领域的关键问题开展基础研究。于鹏老师在新方法、新材料和新物理方面取得系统创新性研究成果：在新方法、新材料创新方面，发展出了磷催化剂辅助的低温化学传递法、硫属元素自助熔的低温拓扑化学法等新型量子光电材料制备方法，并采用所发展技术相继发现第一例纯无机开放框架红外非线性光学材料、第一个磷酸盐深紫外非线性光学晶体材料、第一个10微米光电探测狄拉克半金属材料PtSe₂等，这些新方法和新材料被广泛应用到材料和信息领域；在物理创新方面，在国际上首次证明了第二类外尔费米子的存在，另提出了深紫外非线性光学磷酸盐晶体存在的理论并实验证明了该设想。近几年，于鹏老师在国际权威学术期刊发表论文52篇，总引用数超过3500次，其中以第一或通讯作者身份在影响因子大于14国际权威学术期刊上发表论文16篇：Nat. Catal. （1篇）、Nat. Commun.（4篇）、Adv. Mater.（6篇）、J. Am. Chem. Soc.（3篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（1篇）和Adv. Funct. Mater.（1篇），相关研究成果被Nature、Nat. Mater.等选为研究亮点，多次被国内外媒体报道。

前沿科研成果

一种具有高度面内光学、电子和光电各向异性的新型2D五边形材料，可实现6.17的高偏振灵敏度

于鹏课题组发现并报道了一种具有低对称性褶皱五边形结构的新型2D五边形材料PdPSe，在这种材料中发现了一种奇特的[Se-P-P-Se]^4-聚阴离子，这是迄今为止在2D材料中发现的最大聚阴离子。强大的本征面内各向异性行为赋予PdPSe高度各向异性的光学、电子和光电特性。少层PdPSe基光电晶体管不仅具有出色的电子性能、21.37 cm² V^-1 s^-1的中等电子迁移率和高达10⁸的高开/关比，而且在635 nm处也具有≈5.07×10³ A W^-1的高光响应率，这归因于光浮栅效应。更重要的是，PdPSe还表现出大的各向异性电导率（σ_max/σ_min=3.85）和响应率（R_max/R_min=6.17@808 nm），优于大多数2D各向异性材料。这些研究发现使PdPSe成为设计下一代各向异性器件的理想材料。

图1. PdPSe的基本表征

（来源：Adv. Mater.）

作者使用PXRD、EDS、SEM、STEM及拉曼表征得到和证明了PdPSe的高结晶度和褶皱结构（图1）。这些结果表明：生长的PdPSe晶体具有低缺陷和高质量，且研究的PdPSe层依赖的拉曼光谱发现主要的拉曼峰有明显的红移，这归因于PdPSe中强烈的层间相互作用和杂化。

图2. PdPSe的光学各向异性

（来源：Adv. Mater.）

进一步利用ARPRS研究声子振动的各向异性、进行ADRDM测量以研究其沿不同晶体取向的反射率各向异性（图2）。ARPRS结果清楚地表明，PdPSe具有很强的振动各向异性。不同角度的ADRDM图像表明：PdPSe薄片的反射差分信号显示出明显的角度依赖性，表明PdPSe具有很强的反射率各向异性。

图3. 少层PdPSe的电子性质

（来源：Adv. Mater.）

为了评估PdPSe的电子特性，制备了基于少层PdPSe纳米薄片的背栅场效应晶体管（FET），以10 nm Ti和100 nm Au作为电极（图3）。结果证实：PdPSe是典型的n型半导体，且电流I_on/I_off比高达10⁸——这是环境条件下2D贵过渡金属材料基FET中的最高值，且优于大多数具有类似器件结构的2D材料。6.9 nm PdPSe基FET计算的迁移率为21.37 cm² V^-1 s^-1，与其他二维材料相当。

图4. 少层PdPSe的光电性质

（来源：Adv. Mater.）

作者制备了基于9.65 nm PdPSe薄片（图4）的光电晶体管，系统地研究其光电性质。与其他具有快速光响应的2D光电探测器相比，该器件表现出中等响应时间，在零栅极偏置和635 nm时上升时间为0.1 s，衰减时间为0.44 s。这种缓慢的光响应归因于光浮栅效应，因为被俘获的少数载流子延长了光生电子的寿命。值得注意的是，通过控制光电探测器中的栅极偏置实现了响应时间的有效可调性。

器件中获得的光响应率（R）和光增益（G）与其他2D贵过渡金属材料光电探测器（例如PdSe₂和PtSe₂）相当。在功率密度为0.49 W m^-2的405 nm激光照射下，9.65 nm PdPSe器件的最高探测率为6.81×10⁸ Jones；在功率密度为0.15 W m^-2的635 nm激光下，为1.98×10¹⁰ Jones。基于上述研究，PdPSe是敏感光电探测的潜在候选者。

图5. PdPSe器件的各向异性光响应

（来源：Adv. Mater.）

基于PdPSe的面内光学各向异性，作者制造了具有8个电极的各向异性光电晶体管，以进一步研究该材料的电子和光电各向异性（图5）。对于PdPSe器件，沿两个方向电导率的各向异性比为3.85，高于大多数2D各向异性材料基器件。更值得注意的是，635 nm激光的光响应率各向异性比为4.74，808 nm激光为6.17，优于大多数2D各向异性材料。图5f总结了主要2D各向异性材料的本征各向异性电子和光电性能，其中PdPSe表现出最佳的各向异性性能，为设计新型偏振敏感的光电探测器提供了理想的平台。

总结：

本文通过高温固相反应和机械剥离技术成功地制备了一种新型五边形2D材料——PdPSe原子层。由于其独特的双原子褶皱五边形层结构而表现出很强的面内各向异性，因此，使用ARPRS、ADRDM及角度相关的电子和光电测试对PdPSe进行了研究和表征。此外，PdPSe具有21.37 cm² V^-1 s^-1的中等电子迁移率、10⁸的超高开/关比，使其成为高性能FET沟道材料的理想候选。有趣的是，这种新型材料还表现出优异的光电探测能力，具有≈5.07×10³ A W^-1的高光响应率、1.0×10⁵%的高增益和超过1.0×10¹⁰ Jones的高探测率。值得注意的是，PdPSe具有3.85的高电导率各向异性、635 nm处4.74和808 nm处6.17的高光响应率各向异性，所有这些都优于大多数2D各向异性材料。低对称性的PdPSe在下一代各向异性多功能器件领域中具有广阔的应用前景。