【摘 要】
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低对称性结构的二维材料因优异的物理化学性质在光电器件、储能、催化等领域大放异彩,这是因为低对称性结构诱导了材料各向异性物理特性,为调节其电、光、热、力等方面的性质提供了新视角。第四主族单硫族化合物(MX,如M=Ge,Sn;X=S,Se等)元素储量丰富、毒性低、环境友好且化学稳定性佳,与黑磷(BP)同属于低对称性的正交晶系,且前者的双原子结构进一步降低了体系对称性,这将导致更多丰富有趣的物理性质。更
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低对称性结构的二维材料因优异的物理化学性质在光电器件、储能、催化等领域大放异彩,这是因为低对称性结构诱导了材料各向异性物理特性,为调节其电、光、热、力等方面的性质提供了新视角。第四主族单硫族化合物(MX,如M=Ge,Sn;X=S,Se等)元素储量丰富、毒性低、环境友好且化学稳定性佳,与黑磷(BP)同属于低对称性的正交晶系,且前者的双原子结构进一步降低了体系对称性,这将导致更多丰富有趣的物理性质。更重要的是,已有研究表明MX是一种铁谷材料,系统中具有自发谷极化(铁谷体)的性质,对于实现谷电子学的相关应用有着巨大潜力。本文将针对MX中的二维硒化锗(Ge Se)材料,结合课题组建立的多种光谱测量手段,包括拉曼光谱、透射/吸收光谱、光电流谱,光致发光(PL)谱,系统研究其光学性质。主要研究内容如下:1)拉曼光谱表征Ge Se。在室温、532 nm波长入射光源、背散射几何配置下,测量到三种主要的拉曼振动模式,分别是Ag1(82 cm-1),Ag3(188 cm-1)和B3g(151 cm-1)。三种拉曼振动模式在偏振拉曼光谱中出现了不同的演化行为,这为识别振动模式以及样品的结构特性提供了一种途径。同时,对Ge Se在4 K-320 K之间的温度依赖性拉曼光谱进行了测量,通过高阶声子散射模型对实验结果做出了合理解释,并与其他二维材料在高温段的一阶温度系数进行了比较,为理解Ge Se中声子性质的温度依赖性提供了实验和理论分析基础。2)通过Ge Se对不同线偏光的吸收选择性,实现了对不同谷极化方向的能谷(Vx和Vy)间载流子跃迁的选择性探测。偏振透射光谱结果表明,两个能谷对应不同光学带隙值,两者间的能量差可达100 me V左右(如典型值为1.22 e V和1.34 e V),其带隙值的大小及其能量差与材料厚度相关。结合Ge Se晶轴与偏振器透光轴在不同角度下透射光谱的理论建模,可对任意角度下Ge Se的透射光谱进行预测。同时,室温下的谱分辨偏振光电流谱进一步证实块材Ge Se中存在着明显的谷效应,其各向异性的光电响应特点为其在偏振光探测及相关领域的应用提供了实验证据。需要指出的是,在光致发光谱测试过程中,实验发现Ge Se展示出明显的激发波长依赖性,如在4 K温度下,405 nm波长激发,可观测到0.83 e V,1.01 e V和1.17 e V三处的PL峰,而长波532 nm激发只能观测到0.83 e V的PL峰,相关跃迁机制和原理亟待更深入地研究。3)对本文尚未进行深入研究、但有意义的研究方向进行展望,旨在为该材料体系的物理性质研究及新型光电器件的应用提供研究思路和参考。
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