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光电光谱论文分享 | 扭转混合维度异质结界面中的对称性破缺用于多功能偏振敏感光电探测

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文章导读

扭转混合维度异质结界面中的对称性破缺用于多功能偏振敏感光电探测

本研究提出两步化学气相沉积(CVD)法合成WS2/Sb2S3莫尔超晶格,通过多种图像及光谱证实其异质结构的光学各向异性行为。该光电探测器开关比高达106,漏电流低至10-13 A,光电响应范围为360至914 nm。尤其C2对称性的Sb2S3纳米线在C3对称性的WS2纳米片上生长,使WS2/Sb2S3光电探测器具备强偏振依赖的光电流强度与高分辨率偏振成像能力。

 

 

研究背景

 

范德华异质结由堆叠原子级层状材料制成,因在电子、光电子和自旋电子设备中有巨大应用潜力而广受关注。其中,通过控制扭转角度堆叠不同层形成的莫尔超晶格,已成研究相关状态、超导性等多种效应的多功能平台。莫尔超晶格势形成会导致自发对称性破缺,产生新颖光学响应和电子传输。WS2是过渡金属二硫化物家族中研究较多的材料,以可调带隙、强光物质相互作用和高载流子迁移率闻名。单层WS2纳米片的C3对称性可作一维或二维材料外延生长的有效基底,利于设计下一代新型电子和光电子设备。但通过机械剥离或胶体合成策略获 得的莫尔超晶格结构有限,急需寻找新的莫尔超晶格系统以加速多功能设备应用实现。在此背景下,该研究用两步化学气相沉积法成功合成了具有可控扭转角的混合维度WS2/Sb2S3异质结,实现了高性能偏振敏感的WS2/Sb2S3光电探测器。

 

 

研究内容

图1. (a,c)不同方向晶体结构示意图;(b,d)WS2和Sb2S3晶体原子分辨率HAADF-STEM图像(沿[001]区域轴观察)。(e)WS2/Sb2S3异质结构扭曲角度约22°时原子排列情况(左图),彩色矩形示四种堆叠配置(类型1-4),相同颜色表示堆叠基本单元相同,还有系统性描述不同堆叠配置(右图)。(f)侧视图显示该异质结构扭曲角度约22°,层间距为沿c轴方向vdW间隙中相邻S原子间距离。(g,i)计算的电荷密度及(h,j)最低导带边缘平面平均电荷密度归因于沿a和c轴方向的WS2。(k,l)WS2/Sb2S3莫尔超晶格层间距和自由能变化的二维映射投影。

 

图1a、c展示了WS2及其晶体结构(不同轴向观察)。块体WS2晶体是六方结构,Sb2S3为正交晶体结构。如图1b、d所示,HAADF-STEM图像里WS2呈六方蜂窝状晶格,Sb2S3是链状结构。理论上,将WS2与Sb2S3组装成有不同扭转角的新型莫尔超晶格,可调控电子态。

图1e中标注的WS₂/Sb₂S₃异质结构在约22°扭转角下,莫尔图案有四种典型堆叠结构,意味着存在可调控的界面重构与电子特性。层间距d指沿c轴方向相邻硫原子间的距离(见图1f)。图1g - j展示了最低导带边缘沿a轴、c轴方向的电荷密度计算值及平面平均电荷密度分布。在WS2/Sb2S3莫尔超晶格结构的ab平面中有面外波纹,说明原始晶体对称性被破坏。在扭转角约22°的WS₂/Sb₂S₃异质结构bc平面中,晶格形变明显。

图1k、l分别展示了层间距d和自由能ΔE随x、y方向的变化关系。经计算,扭转角约22°的WS₂/Sb₂S₃异质结构最大莫尔势为18meV/原子,证实可有效调控局域电子态。需注意,WS₂/Sb₂S₃中莫尔势的形成打破了原始WS₂的C₃旋转对称性,产生高度各向异性的束缚电荷态。

图2. (a) WS2/Sb2S3混合维度异质结光学图像,扭转角θ为Sb2S3纳米线(020)晶面与WS2纳米片(100)晶面夹角。(b) WS2纳米片上Sb2S3纳米线取向分布统计。(c) 基于密度泛函理论计算的WS2/Sb2S3异质结吸收能量与角度函数关系。(d) 扭转角约15.5°的WS2/Sb2S3莫尔超晶格高角环形暗场扫描透射电镜图像及对应的快速傅里叶变换图谱(e,f)。(g) 扭转角15.5°的WS2/Sb2S3莫尔超晶格原子结构示意图。(h−j) 扭转角分别为6.6°、12.2°和21.8°的WS2/Sb2S3莫尔超晶格典型高角环形暗场扫描透射电镜图像,插图为对应快速傅里叶变换图谱。

 

图2a展示了WS2/Sb2S3异质结构光学图像, Sb2S3与 WS2夹角由晶面角度定义。图2b统计显示Sb2S3沿六个方向取向排列, DFT计算表明低吸收能可促进外延生长。HAADF-STEM图像揭示莫尔超晶格结构(图2d),FFT图谱(图2e,f)显示15.5°旋转角。晶体模型(图2g)因结构差异呈现大周期超结构,导致对称性破缺和光电各向异性行为。

图3. (a)平行配置下WS2及WS2/Sb2S3异质结构(扭转角约60°)的偏振分辨二次谐波强度。(b)平行与垂直配置下随偏振角变化的拉曼强度等高线图,标有Sb2S3与WS2振动模式。(c)纯WS2与60°扭转角WS2/Sb2S3异质结构在平行/垂直配置下A′g(Γ)模式的偏振分辨极坐标图。(d)WS2纳米片与WS2/Sb2S3异质结构在平行配置下随偏振角变化的荧光强度等高线图。(e)WS2及60°扭转角WS2/Sb2S3异质结构的偏振分辨荧光积分强度极坐标图。(f)0°、30°、60°和90°偏振角下的光吸收谱,两吸收峰对应A、B激子,插图为15°扭转角WS2/Sb2S3异质结构光学显微图像及方向定义。(g)A/B激子两个特征吸收峰强度随偏振角的变化情况。

图 S14 纯Sb2S3的SHG响应

图S15. WS2/Sb2S3异质结在15°(a)、45°(b)、75°(c)、105°(d)、135°(e)和165°(f)扭转角下平行配置的偏振分辨二次谐波强度极坐标图。

图S23. (a) 平行构型下360至1000 nm波长范围内随扭转角变化的吸收强度。(b) 提取的A激子和B激子吸收强度随扭转角的变化关系

 


 

图中的SHG及吸收光谱由我司显微光谱扫描系统测得,拉曼测试也可用该系统。

迈塔光电的MStarter 100显微光谱扫描测试系统,集稳定显微测试光路与专业高速高分辨扫描技术于一体,适用于二维材料、量子点、钙钛矿等材料的显微光谱分析。其光谱收集效率高。凭借稳定的显微镜机械设计,可对信号很弱的样品进行长时间测试。众多选配模块支持不同应用领域,如偏振拉曼/荧光光谱测试、荧光寿命测试、吸收光谱测试等。

MStarter 100 SHG二次谐波光谱测试系统将皮秒或飞秒超快激光集成进显微光路,经100倍物镜聚焦于样品表面,激发样品微区二次谐波,能对样品晶格取向、晶界分布、原子层数及原子层排列方式做无损测试。

MStarter 100 SHG显微测试系统

 

欢迎通过文末联系方式与我们了解更多设备详情~

 


 

如图3(a)所示,单层WS2中偏振依赖的二次谐波强度呈六重对称图案,揭示其晶体反转对称性破缺。扭转角约60°的WS2/Sb2S3异质结构中,两片对称花瓣的二次谐波强度明显强于其他花瓣,这主要归因于界面晶格失配及莫尔超晶格形成导致的对称性破缺。纯Sb2S3因晶体结构有反演对称性,无二次谐波信号(图S14)。此外,图S15展示了不同扭转角下的二次谐波响应,明显可见,15°、75°、105°、165°时二次谐波信号各向异性强度高于45°和135°的情况。

如图3b,测了平行、垂直配置的偏振角依赖性拉曼强度等高线图。角度从0°到360°时,Sb2S3的Ag1和Ag2模式在平行、垂直偏振模式下分别呈,/2周期特性。图3c为WS2/Sb2S3异质结中典型Ag′(Γ)模式的偏振角分辨强度极坐标图,该异质结构扭转角约60°,其中Ag′(Γ)模式强度在平行、垂直构型下分别呈2重和4重对称花瓣状分布。

图3d展示了平行配置下WS2及WS2/Sb2S3异质结构的偏振角依赖PL强度等高线映射图。纯WS2位于1.96 eV的光致发光发射峰不随偏振角变化,WS2/Sb2S3的则依赖于偏振角。类似结果见于图3e极坐标图。且两个典型吸收峰强度随偏振角周期性变化(3(f)),图S23展示了平行构型下相关吸收强度变化。上述结果表明,各向异性光致发光响应、二次谐波响应及吸收强度与扭转角相关,说明WS2/Sb2S3莫尔超晶格在调控WS2/Sb2S3基光电探测器各向异性光学响应强度方面有重要作用。

图4. (a) WS2/Sb2S3器件示意图。(b) WS2/Sb2S3光电探测器在5.6 mW/cm2功率强度下,不同波长在暗态和光照条件下的转移特性。(c) 不同波长光照下WS2/Sb2S3器件光电流与功率强度的关系。(d) 532 nm光照下WS2/Sb2S3器件时间分辨光响应及上升、下降时间。(e−h) 不同光照下与偏振角相关的光电流强度。(i) 532 nm光照下不同偏振角的WS2/Sb2S3器件时间分辨光电流。(j) 不同光照下,积分光电流强度随偏振角变化的函数关系。(k) 与其他材料和异质结构的比较。

 


 

图中涉及到转移输出曲线,偏振光电流,开关比,响应速度等光电测试。由迈塔光电研发的MStarter 200高精度光电流扫描测试显微镜系统可进行这些测试。

MStarter 200适用于复杂光电器件测试表征,系统配有光电屏蔽罩壳,高稳定度显微镜,高精度扫描系统,搭配Metatest Suite测试系统,可以自动进行包含稳态光电流,瞬态光电流,转移曲线,输出曲线等多种测试以及高精度光电流成像测试。

MStarter 200高精度光电流扫描测试显微镜

 

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图4a展示了WS2/Sb2S3器件光照示意图,该器件有典型n型导电行为(开关比达106),且漏电流相对较低(10−13 A)。图4b呈现其在黑暗与不同波长光照下的转移特性曲线,显示出宽光谱响应。随着360至1064 nm光生电子-空穴对增加,器件光电流(Iph)显著提升。

如图4c所示,展示了多波长下光电流与功率强度关系,表明光生电子与空穴对中陷阱态的产生。图4(d)展示器件响应速度。

图4e−h展示不同波长光照下光电流强度随偏振角的变化,光电流极坐标图呈二重旋转对称模式,说明WS2/Sb2S3异质结构在偏振敏感型光电探测器领域有应用潜力。此外,如图4i所示,在671nm偏振光照射下,器件时间分辨光电流有周期性变化。另外,将动态范围(DR)定义为偏振角度的函数,数据见图4j。动态范围在0°(180°)最大,在90°(270°)最小,表明WS2/Sb2S3光电探测器有各向异性特性。需注意,在360nm、532nm、671nm和914nm波长光照下,最大动态范围值分别为1.6、3.4、2.1和1.2,优于二维各向异性材料及混合维度异质结构体系,如图4(k)。

图5. (a)多功能偏振测量系统实验配置示意图。光通信转换中,上下箭头符号↕和左右箭头符号↔分别定义为“0”和“1”。源信号输入至1/2波片后会影响激发光偏振状态,进而改变WS2/Sb2S3光电探测器光电流。(b)输出电流信号(Ids)与偏振状态的函数关系。二进制编码“01000001”、“00110110”、“010101”分别对应大写字母A、H、U。(c)360nm和532nm光照下,0°和90°偏振角的线性偏振成像。

 


 

图中涉及单点成像与加密通讯。成像可通过我司的虚拟扫描成像E2-SCS单像素器件扫描成像模块完成。加密通讯可用我司自研的任意波形编辑功能实现该测试,此功能不仅能控制快门,还可自定义激发光开关光时间位置、频率、脉宽、光强等参数。

上述模块可搭配我司MStarter 200、E2、Scanpro等多种型号测试设备完成多种光电类型测试。

E2-SCS 单像素器件扫描成像模块

 

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研究人员用多功能极化测量系统(图5a)考察其加密光通信能力。该系统有532 nm和360 nm激光源,能调控激光极化状态(0°和90°),对应编码信号输入“0”和“1”。加密文本以数字信号形式安全传输,靠将明文转换为密文实现。图5b展示输出信号电流(Ids)随极化状态变化关系。通过响应输入信号切换极化状态,可输出多种编码组合。

研究人员还考察了WS2/Sb2S3光电探测器的极化成像识别能力(图5c)。与360 nm照明下极化成像结果相比,532 nm照明下字母“AHU MFMD”的高分辨率图像在0°和90°极化角间区分度显著。这些结果表明WS2/Sb2S3在极化敏感应用领域有重要潜力。

 

 

原文链接

 

Symmetry Breaking in Twisted Mixed Dimensional Heterostructure Interfaces for Multifunctional Polarization-Sensitive Photodetection

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13870

咨询电话:17766428931

迈塔光电售前及测试专员(微信同号)

2025年5月16日 17:52
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