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Enhanced in-plane polarization in two-dimensional GaInS3 via strain engineering for self-powered photodetector

二維GaInS3面內極化應變調控增強自驅動光電探測器性能

作者信息：

Zongdong Sun ^a, Jie Liu ^a, Na Zhang ^a, Wanfu Shen ^b, Chunguang Hu ^b, Liang Li ^c, Feng Yan ^d, Fangfang Xia ^a, 

Huiqiao Li a, Yuan Li ^a, Tianyou Zhai ^a e f

a State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology (HUST), Wuhan, 430074, China

b State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin, 300072, China

c Key Laboratory of Materials Physics, Anhui Key Laboratory of Nanomaterials and Nanotechnology, Institute of Solid State Physics, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei, 230031, China

d Department of Applied Physics, Research Institute of Intelligent Wearable Systems, The Hong Kong Polytechnic University, Kowloon, 999077, Hong Kong, China

e Research Institute of Huazhong University of Science and Technology in Shenzhen, Shenzhen, 518057, China

f Optics Valley Laboratory, Wuhan, 430074, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100009

文章介紹：

偏振敏感光電探測器憑借在復雜環境中高效感知與識別目標的能力，在通信遙感、掃描成像、機器視覺等領域具有廣泛應用[1-5]。傳統偏振探測器因光學元件冗余且靈敏度不足，難以滿足器件微型化與多功能集成的需求[6]。二維材料因其獨特的光電特性成為研究熱點[7-9]，其中具有面內各向異性的二維材料在偏振敏感探測領域展現出顯著優勢[10-12]。

隨著二維各向異性材料的深入研究，通過能帶工程構建異質結已實現自驅動偏振探測器，既降低功耗又簡化結構[13-16]。但該方法需嚴格能帶匹配與復雜工藝。雖然二維鐵電材料（如In?Se?[17]、CuInP?S?[18]）的本征體光伏效應被證實，但其高對稱性面內晶體結構導致各向異性光學響應較弱。值得注意的是，二維材料的高形變容忍度[19]使其可通過應變工程[20]顯著增強面內極化效應，從而誘發體光伏效應[21-23]，但實現自驅動偏振敏感探測仍具挑戰。

本研究提出通過應變工程增強GaInS?自發極化以實現自驅動偏振光電功能。通過角分辨偏振拉曼光譜（ARPRS）、角度依賴反射差譜（ADRDS）、二次諧波（SHG）和壓電力顯微鏡（PFM）系統表征了二維GaInS?的面內各向異性與偶極極化特性。采用干法轉移將GaInS?納米片轉移至預制金電極上構建應變器件。在365 nm光照下，應變GaInS?器件表現出顯著的體光伏響應，其開路電流（Ioc）可通過晶向與應變系數調控。該自驅動探測器具備優異光電性能：高開關比（Ion/off >10?）、合理響應度（R~85 mA/W）及顯著偏振比（PR~5.4）。通過偏振成像實驗進一步驗證了應變器件的可靠性，為高性能二維自驅動偏振探測器研究提供了新思路。

中文摘要：

自供電二維偏振敏感光電探測器推動了新一代光電子器件的發展。然而目前這類器件主要依賴多層二維異質結堆疊來實現該功能，這需要精確的操作流程和嚴格的能帶匹配。本研究通過應變工程在二維GaInS3中實現了自供電偏振探測功能，這主要得益于材料本征的面內各向異性結構和內部自發極化特性。值得注意的是，經過應變調控的GaInS3器件展現出優異的光電性能，具有高開關比（>10?）和大各向異性比（~5.4）。該應變器件還能實現自供電高分辨率偏振成像。本研究為開發高性能二維自供電偏振光電探測器提供了重要指示。