文献赏析 | Td-WTe2的高灵敏度和各向异性宽带光响应

徐中辉^a、罗兵^a、陈妍^b，李晓波*^c，d，陈圳^a，袁秋明^a，肖贤波^e

a  中国 赣州 341000  江西理工大学 信息工程学院

b  中国 赣州 341000  江西理工大学 电气工程与自动化学院

c  中国 长沙 410205  湖南工商大学 应用物理系

c  中国 长沙 410205  湖南工商大学 统计学习与智能计算湖南省重点实验室

c  中国 南昌 330004  江西中医药大学 计算机学院

01 引言

光生电流效应(photogalvanic effect)产生于具有非空间反演对称的材料中，在极化光的引诱下，可以激发光电流的产生并在宽带范围内提供高偏振灵敏度，展示出在低功率二维(2D)光电子学中的潜在应用。单层Td-WTe₂具有非中心对称的 Cs对称性，鉴于 PGE 已在许多 2D 材料（例如 2D WSe₂[Nanotechnology 9 (2014) 851–857.]、MoS₂[Nat. Commun. 6 (2015) 7636.]）中通过实验实现，可以预期在偏振光的照射下生成 PGE。此外，Td-WTe₂ 的高各向异性和半金属带隙结构，使它已成为在宽带光谱范围内设计偏振传感器和偏振器的良好材料。受到以上研究工作的启发，本文提出了基于Td-WTe₂结构的光电效应的传输机理。同时也揭示了光电流R与偏振光角θ之间的依赖关系。本文计算结果表明，Td-WTe₂作为光电探测器具有广阔的应用前景。

02 成果简介

利用非平衡态格林函数与密度泛函理论相结合的第一性原理量子输运软件Nanodcal研究了单层二维Td-WTe₂中的PGE，并提出了在小偏置电压下有效增强 PGE 光电流的物理机制。当施加垂直照明的线偏振光时，可以在单层二维Td-WTe₂中产生PGE的光电流。在整个可见光和近红外范围内，可以发现在大多数光子能量下的最大光电流在小偏压下就达到饱和。计算出的光电流对极化角展示出余弦依赖性。在锯齿形方向0.2 V偏置电压下，光子能量为2.4 eV时的光电流大道最大，其值的大小比 0 eV 时的光子能量明显提高约1×10⁴ 倍，然而在扶手椅方向上的 0.9 V 偏置电压下可以增加7 ×10²倍。此外，可以获得更高的偏振灵敏度。锯齿形和扶手椅Td-WTe₂之间可以表现出强烈的光电流各向异性，锯齿形方向的光电流几乎是扶手椅方向的3倍。这些结果表明，在可见光和近红外范围内，二维单层Td-WTe₂是未来光电子学的潜在候选者。

03 图文导读

图1.（a）展示了线性偏振光照射的Td-WTe₂光电探测器的器件模型。分别展示了模型锯齿方向的（b）顶视图和（c）侧视图。同样，展示了在扶手椅方向Td-WTe₂光电探测器的（d）顶视图和（e）侧视图。左右电极用黑框包围，红色虚线代表线偏振光照射的整个中心区域。施加源-漏偏置电压分别沿锯齿形和扶手椅器件的传输方向计算光电流，即沿 x 和 y 的方向。

图2. 单层Td-WTe₂由线偏振光照射在0.3 V偏置电压下的锯齿形和扶手椅方向的光电流，光子能量分别为 2.0、2.2 和 2.4 eV。曲线表示拟合结果。

图 3.在锯齿形和扶手椅方向上光电流最大值 (Rm) 与光子能量和偏置电压的函数关系。

（a）和（c）分别为在器件锯齿形和扶手椅形方向上不同偏置电压随不同光子能量的最大光电流的变化。(b)和(d)表示在锯齿形和扶手椅方向上不同光子能量随不同偏置电压的函数关系。

图 4.（a）电子能带结构，（b）单层Td-WTe₂的总态密度（DOS）。红色箭头表示从价带 S1 到下导带 S2 的电子跃迁。(b) 中的红色阴影区域表示 DOS 的峰值。

图 5.（a）锯齿形和（b）扶手椅在可见光和近红外范围内光子能量的消光比随偏置电压的变化.

04 小结

通过第一性原理方法研究了基于二维单层Td-WTe₂光电探测器的 PGE 光电流。通过在锯齿形和扶手椅方向上使用线偏振光在可见光和近红外范围的照射、在小偏压范围下研究了PGE的光电流。本文给出了光电流极化角的余弦函数关系。锯齿形方向偏置0.2 V时最大光电流幅度明显增强约1×10⁴倍，扶手椅方向偏置0.9 V时增强约7×10²倍。在光子能量[2.2, 2.4 eV] 范围内的光电流能产生较大的值，其中表现强烈的光吸收。并且由于具有较大消光比的存在，光电流在2.0 eV和2.4 eV的光子能量下表现出明显的偏振敏感性。此外，锯齿形和扶手椅方向之间出现明显的各向异性，锯齿形方向的光电流总体上比扶手椅方向的光电流大3倍左右。计算数据还表明，基于单层Td-WTe₂的光电探测器在近红外和可见光范围内表现出宽带光响应、高偏振灵敏度和强各向异性。

文献说明

文献信息：

High sensitivity and anisotropic broadband photoresponse of Td-WTe₂. Physics Letters A 389 (2021) 127093.

1.DOI: 10.1016/j.physleta.2020.127093

https://doi.org/10.1016/j.physleta.2020.127093

2. 文献作者：Zhonghui Xu, Bing Luo, Yan Chen, XiaoboLi, ZhenChen, QiumingYuan, XianboXiao.

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