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

二維GaInS3面內(nèi)極化應(yīng)變調(diào)控增強(qiáng)自驅(qū)動(dòng)光電探測(cè)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(cè)器憑借在復(fù)雜環(huán)境中高效感知與識(shí)別目標(biāo)的能力，在通信遙感、掃描成像、機(jī)器視覺等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-5]。傳統(tǒng)偏振探測(cè)器因光學(xué)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(dú)特的光電特性成為研究熱點(diǎn)[7-9]，其中具有面內(nèi)各向異性的二維材料在偏振敏感探測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)[10-12]。

隨著二維各向異性材料的深入研究，通過能帶工程構(gòu)建異質(zhì)結(jié)已實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)偏振探測(cè)器，既降低功耗又簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)[13-16]。但該方法需嚴(yán)格能帶匹配與復(fù)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(yīng)被證實(shí)，但其高對(duì)稱性面內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致各向異性光學(xué)響應(yīng)較弱。值得注意的是，二維材料的高形變?nèi)萑潭萚19]使其可通過應(yīng)變工程[20]顯著增強(qiáng)面內(nèi)極化效應(yīng)，從而誘發(fā)體光伏效應(yīng)[21-23]，但實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)偏振敏感探測(cè)仍具挑戰(zhàn)。

本研究提出通過應(yīng)變工程增強(qiáng)GaInS?自發(fā)極化以實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)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(tǒng)表征了二維GaInS?的面內(nèi)各向異性與偶極極化特性。采用干法轉(zhuǎn)移將GaInS?納米片轉(zhuǎn)移至預(yù)制金電極上構(gòu)建應(yīng)變器件。在365 nm光照下，應(yīng)變GaInS?器件表現(xiàn)出顯著的體光伏響應(yīng)，其開路電流（Ioc）可通過晶向與應(yīng)變系數(shù)調(diào)控。該自驅(qū)動(dòng)探測(cè)器具備優(yōu)異光電性能：高開關(guān)比（Ion/off >10?）、合理響應(yīng)度（R~85 mA/W）及顯著偏振比（PR~5.4）。通過偏振成像實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了應(yīng)變器件的可靠性，為高性能二維自驅(qū)動(dòng)偏振探測(cè)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(cè)器推動(dòng)了新一代光電子器件的發(fā)展。然而目前這類器件主要依賴多層二維異質(zhì)結(jié)堆疊來實(shí)現(xiàn)該功能，這需要精確的操作流程和嚴(yán)格的能帶匹配。本研究通過應(yīng)變工程在二維GaInS3中實(shí)現(xiàn)了自供電偏振探測(cè)功能，這主要得益于材料本征的面內(nèi)各向異性結(jié)構(gòu)和內(nèi)部自發(fā)極化特性。值得注意的是，經(jīng)過應(yīng)變調(diào)控的GaInS3器件展現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能，具有高開關(guān)比（>10?）和大各向異性比（~5.4）。該應(yīng)變器件還能實(shí)現(xiàn)自供電高分辨率偏振成像。本研究為開發(fā)高性能二維自供電偏振光電探測(cè)器提供了重要指示。