Wavelength-selectivity polarization dependence of optical absorption and photoresponse in SnS nanosheets

Research progress of IV–VI low-dimensional semiconductor materials and devices

“…SnO2 [68] 、SnS2 [69] 、SnS [70] 、GeSe2 [67] 和 GeSe [57] 等材料的结构及性能进行了全面的研究.进一步， 基于 S 元素与 Se 元素为等电子元素，本课题组也通过化学气相输运的方法制备了 SnSe2(1-x)S2x [46] 合金，并对基于其构筑形成的器件的性能进行了研究分析.对于构筑形成器件而言，异质结由于 其在界面处两种半导体的电子能带结构会由于静电学发生相应的变化，界面可调谐带对准是器 件设计和器件性能优化的关键，因此半导体异质结在许多固态器件有应用，比如太阳能电池 [71][72][73] ，光探测器 [74][75][76] ，半导体激光器 [77] 和发光二极管 [78][79][80][81] 等.构筑异质结的方法包括机械堆叠法 [82] 和 直接生长法 [83][84][85] .基于 IV 族金属硫属化合物及上述的两种构筑异质结的方法，本课题构筑了 InSe/GeSe [86] 、SnS2/MoS2 [87] 和 MoS2(1-x)Se2x 与 SnS2(1-y)Se2y 等异质结 [88] 结构并对其进行研究. 作为一 种有意设计的方法，合金允许低维度半导体的能带工程和连续带边可调谐，将合金的可调谐性…”

“…Figure 7 (a) Microscopic images of single and thin layers of GeSe2 [67] ; (b) schematic diagram of GeSe2based monolayer field effect transistor [67] ; (c) transfer characteristic curve of GeSe2-based monolayer FET [67] ; (d) response ability of GeSe2-based monolayer FET to incident light at different wavelengths [67] ; (e) polar map of the variation of the output photocurrent of the device with the incident angle under the excitation of incident light of different wavelengths [67] ; (f) angle-resolved light absorption pattern [67] . (reproduced with permission [67] , Copyright 2019, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim) 硫化亚锡(SnS)作为一种典型的 IV-VI 族半导体材料，其带隙宽度约为 1.57 eV，特别适 用于近红外光的探测.SnS 的原子结构与黑磷类似，锡原子和硫原子交替排列，结构具有较强的 各向异性 [106] .2020 年，本课题组通过机械剥离的方法获得纳米片状 SnS 晶体并将其构筑形成器 件 [70] . 图 8 (a)SnS 晶体的拉曼图谱 [70] ；(b)器件对不同波长激光的响应能力 [70] ；(c)在不同波长 激光的照射下，器件输出的光电流与激光入射方向之间的关系 [70] ；(d)基于 SnS 纳米粒子构 筑形成的光探测器 [69] ；(e)SnS 纳米粒子的 SEM 图像 [69] ；(f)器件在不同条件下的输出曲线 [69] ；(g)基于 SnO2 纳米线拉曼峰位强度在垂直及水平模式下展现出来的角度依赖性 [68] ；(h) 基于 SnO2 纳米线构筑形成的偏振光探测器 [68] ；(i)在 360 nm 激光照射下，器件输出的光电流 随入射角度变化的极坐标图谱 [68] .…”

“…(reproduced with permission [67] , Copyright 2019, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim) 硫化亚锡(SnS)作为一种典型的 IV-VI 族半导体材料，其带隙宽度约为 1.57 eV，特别适 用于近红外光的探测.SnS 的原子结构与黑磷类似，锡原子和硫原子交替排列，结构具有较强的 各向异性 [106] .2020 年，本课题组通过机械剥离的方法获得纳米片状 SnS 晶体并将其构筑形成器 件 [70] . 图 8 (a)SnS 晶体的拉曼图谱 [70] ；(b)器件对不同波长激光的响应能力 [70] ；(c)在不同波长 激光的照射下，器件输出的光电流与激光入射方向之间的关系 [70] ；(d)基于 SnS 纳米粒子构 筑形成的光探测器 [69] ；(e)SnS 纳米粒子的 SEM 图像 [69] ；(f)器件在不同条件下的输出曲线 [69] ；(g)基于 SnO2 纳米线拉曼峰位强度在垂直及水平模式下展现出来的角度依赖性 [68] ；(h) 基于 SnO2 纳米线构筑形成的偏振光探测器 [68] ；(i)在 360 nm 激光照射下，器件输出的光电流 随入射角度变化的极坐标图谱 [68] . Figure 8 (a) Raman pattern of SnS crystal (reproduced with permission [70] , Copyright 2021, Tsinghua University Press and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature); (b) the responsiveness of the device to lasers of different wavelengths (reproduced with permission [70] , Copyright 2021, Tsinghua University Press and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature); (c) the relationship between the photocurrent output from the device and the incident direction of the laser under the irradiation of different wavelengths of laser (reproduced with permission [70] , Copyright 2021, Tsinghua University Press and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature); (d) light detector based on SnS nanoparticles (reproduced with permission [69] , Copyright 2012, Royal Society of Chemistry); (e) SEM images of SnS nanoparticles (reproduced with permission [69] , Copyright 2012, Royal Society of Chemistry); (f) output curves of devices under different conditions (reproduced with permission [69] , Copyright 2012, Royal Society of Chemistry); (g) angle dependence of Raman peak strength based on SnO2 nanowires in vertical and horizontal modes (reproduced with permission [68] ,…”

Anisotropic Low‐Dimensional Materials for Polarization‐Sensitive Photodetectors: From Materials to Devices

“…The vibrational direction of the electric vector is perpendicular to the propagative direction of light. According to the vibrational states of the electric vector, there are five kinds GaTe, [49,50] GeAs, [51,52] GeSe, [53][54][55] SnS, [56][57][58] GeSe 2 , [59,60] WTe 2 , [61][62][63] ReS 2 , [64,65] ReSe 2 , [66] PdSe 2 , [67,68] TiS 3 , [69,70] ZrS 3 , [71] NbS 3 , [72] and ZrTe 5 . [73] Several ternaries such as Ta 2 NiS 5 and TaIrTe 4 have also been reported recently.…”

Polarization-sensitive photodetectors based on main group layered low-dimensional semiconductors

“…Novoselov 等人 [1] 通过机械剥离的方法制备出原子层厚度的石墨烯，该石墨烯展现出较高的载流 子迁移率以及较强的双极性场效应特性，由此开启了二维材料的研究热潮。二维材料层内以较强 的共价键结合，层间以弱的范德瓦尔斯力相结合。虽然石墨烯具有超高的迁移率(10 6 cm -1 V -1 ) [2] ，但是零带隙的能带结构限制了其在半导体领域的应用。尽管研究者们通过外延生长石墨烯或 者对双层石墨烯进行双栅调控的手段成功打开了石墨烯的带隙 [3,4] ，但有限的带隙打开程度使得 半导体领域的研究者们不得不将目光转移至其他二维半导体材料。以 MoS 2 为代表的二维过渡金 属族硫属化合物(TMDs)以其优异的半导体特性成为近些年的研究热点，在微电子领域具有潜 在的应用价值，有望成为延续摩尔定律的重要选项之一 [5~9] 。除此之外，二维六方氮化硼也被广 泛用于二维材料的衬底以及器件介电层，大大提升了二维材料及其器件的电学性能 [10~12] 。近年 来，一些二维过渡金属碳化物和氮化物在电化学储能等领域也表现出巨大优势 [13,14] 保持 10 小时，通过反复置换温区使得石英管内尽可能多的合成高质量 GeSe 晶体，最终慢速冷 却至 350℃后再自然冷却至室温 [15] 。 如图 1 所示，五种半导体材料皆表现为层状结构，即面内以共价键结合而面外为弱的范德瓦 尔斯键结合，该化学键特性使得材料很容易制备成二维材料。GeSe 和 SnSn 都属于正交晶系，相 对于核心半导体的立方晶系和六角晶系，该类半导体在面内存在两个特殊的轴，如图 1(b)和图 1(f)中的"扶手椅"方向(armchair)和 "之字形"方向(zigzag) ，两个方向具有非常明显的光学特性 [34] 。GeSe 在晶体的"扶手椅"方向相较于"之字形"方向表现出更强的光学吸收，因此对不同方向 的线偏振光具有不同的吸收。如图 2(a)所示，插图为测试用的 GeSe 纳米片，随着入射线偏振光 的角度变化，GeSe 表现出不同的吸收。GeSe 2 和 GeAs 属于单斜晶系，相对于前两者表现出更为 明显的晶体低对称性以及面内光学各向异性。 材料对线偏振光的光学吸收各向异性称为线性二向 色性(linear dichroism, LD) ，通常将材料对不同偏振角的入射光吸收系数最大值与最小值的比值 称为二向色比值， 是描述材料光学各向异性的最直观的物理量之一， 被经常用于描述双折射晶体、 分子光吸收特性以及光学元件的特征值 [35~37] 。 GeSe 和 SnS 在近红外波段都具有最好的二向色性， 分别对 808 nm 和 862 nm 具有 3.02 和 3.06 的最高线性二向色比值 [15,19] 。而 GeSe 2 由于较宽的带 隙( 2.96 eV) ， 对具有 2-5 eV 的光子都具有强的吸收，在 405 nm 处具有 1.2 的线性二向色比值 [16] 。 从理论上分析半导体能带导带底以及价带顶跃迁 Γ 点位置的波函数，可以揭示这一光学跃迁各 向异性，即晶体的非对称性导致波函数沿着两个方向的分布不同，具有镜面对称性的一组波函数 分布导致该方向上的光学跃迁积分为零，而另一方向非零 [20] 。 除了研究二维材料在吸收光谱中所表现的二向色性以外， 研究者们还通过角分辨的拉曼光谱、 方位角依赖的反射差分谱以及偏振光学显微镜来表征材料的结构以及光学各向异性 [38~40] 。如正 交晶系 GeSe 的 A g 拉曼模振动强度，在平行和交叉两种偏振图景中表现出非等强度分布的四瓣 状， 而 B 3g 拉曼模式振动表现出等强度的四叶状， 这种强度分布与 GeSe 晶体的对称性息息相关， 研究者可以通过四叶状的强度分布来无损地表征非规则形貌的二维材料晶向 [15] 。又如 GeSe 交晶系的 GeSe 晶体沿着 a 轴层状分布，c 轴为扶手椅方向 [15] ；( c)单斜晶系的 GeSe2 晶体沿着 c 轴方向层状分布，a 轴 为扶手椅方向 [16] ； (d)单斜晶系的 GeAs 晶体沿着 c 轴层状分布，a-b 面内原子排列具有各向异性 [17] ； (e)具有混合价态 电子结构的层状正交 Sn2S3 晶体的原子排列 [18] ； (f)正交晶系的 SnS 沿着 c 轴层状分布，a-b 面内具有各向异性 [34] 。 orthorhombic GeSe is distributed in layers along the a-axis, and the c-axis is the armchair direction (reproduced with permission [15] , Copyright 2017, American Chemical Society); (c) The monoclinic GeSe2 is distributed in layers along the c-axis direction, and the a-axis is the armchair direction (reproduced with permission [16] , Copyright 2019, WILEY & VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim); (d) The monoclinic GeAs is distributed in layers along the c-axis, and atoms in the a-b plane are anisotropic (reproduced with permission [17] , Copyright 2018, American Chemical So...…”