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

二维GaInS3面内极化应变调控增强自驱动光电探测器性能

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

文章介绍：

偏振敏感光电探测器凭借在复杂环境中高效感知与识别目标的能力，在通信遥感、扫描成像、机器视觉等领域具有广泛应用[1-5]。传统偏振探测器因光学元件冗余且灵敏度不足，难以满足器件微型化与多功能集成的需求[6]。二维材料因其独特的光电特性成为研究热点[7-9]，其中具有面内各向异性的二维材料在偏振敏感探测领域展现出显著优势[10-12]。

随着二维各向异性材料的深入研究，通过能带工程构建异质结已实现自驱动偏振探测器，既降低功耗又简化结构[13-16]。但该方法需严格能带匹配与复杂工艺。虽然二维铁电材料（如In₂Se₃[17]、CuInP₂S₆[18]）的本征体光伏效应被证实，但其高对称性面内晶体结构导致各向异性光学响应较弱。值得注意的是，二维材料的高形变容忍度[19]使其可通过应变工程[20]显著增强面内极化效应，从而诱发体光伏效应[21-23]，但实现自驱动偏振敏感探测仍具挑战。

本研究提出通过应变工程增强GaInS₃自发极化以实现自驱动偏振光电功能。通过角分辨偏振拉曼光谱（ARPRS）、角度依赖反射差谱（ADRDS）、二次谐波（SHG）和压电力显微镜（PFM）系统表征了二维GaInS₃的面内各向异性与偶极极化特性。采用干法转移将GaInS₃纳米片转移至预制金电极上构建应变器件。在365 nm光照下，应变GaInS₃器件表现出显著的体光伏响应，其开路电流（Ioc）可通过晶向与应变系数调控。该自驱动探测器具备优异光电性能：高开关比（Ion/off >10⁴）、合理响应度（R~85 mA/W）及显著偏振比（PR~5.4）。通过偏振成像实验进一步验证了应变器件的可靠性，为高性能二维自驱动偏振探测器研究提供了新思路。

中文摘要：

自供电二维偏振敏感光电探测器推动了新一代光电子器件的发展。然而目前这类器件主要依赖多层二维异质结堆叠来实现该功能，这需要精确的操作流程和严格的能带匹配。本研究通过应变工程在二维GaInS3中实现了自供电偏振探测功能，这主要得益于材料本征的面内各向异性结构和内部自发极化特性。值得注意的是，经过应变调控的GaInS3器件展现出优异的光电性能，具有高开关比（>10⁴）和大各向异性比（~5.4）。该应变器件还能实现自供电高分辨率偏振成像。本研究为开发高性能二维自供电偏振光电探测器提供了重要指示。