新型混合价态驱动的准一维Sn(II)Sn(IV)S3宽波段偏振光探测器

来源：X一MOL资讯

晶体中原子的混合价态可以带来独特的实验现象，例如各向异性的物理性质等，其源于不同价态原子的非对称分布。混合价态化合物是指同一种元素存在一种以上的氧化态，这使得不同氧化态和环境的原子能够在有限簇或无限晶格中结合在一起。混合价态能够引起电子交换、电子排斥和电子-声子相互作用之间的弱相互作用，尤其是原子的不同价态带来的高度不对称性的结构导致材料具备极强的各向异性特性，如线性二向色性、各向异性等离子体和各向异性激发。基于线性二向色性开发的偏振光探测器在实际中可以应用于偏振光谱成像、偏振传感器、遥感和光学雷达等。偏振敏感的光电探测器面临的主要问题之一是半导体材料的光学各向异性的光谱范围较窄以及性能不足，因此开发具有窄带隙的新型各向异性低维纳米材料用于改进线偏振光敏感的光电探测具有十分重要的意义。

最近，中国科学院半导体研究所的魏钟鸣研究员报道了一种新型混合价态驱动的准一维SnIISnIVS3材料，并将其用于宽波段的高响应度偏振光探测器，还进一步通过基于第一性原理的密度泛函理论计算分析了混合价态带来的各向异性的电荷分布及各向异性光学吸收。该工作发表在Advanced Functional Materials上。论文的第一作者是中科院半导体所的博士研究生杨淮和潘龙飞。

图1. 混合价态准一维SnIISnIVS3化合物的基本表征

四六族正交晶系的SnIISnIVS3属于I型混合价态硫族化合物，由于独特的晶体结构其表现出窄带隙的半导体特性，而非I型混合价态通常具有的绝缘性。其不对称的混合价态原子分布和排列决定了高度各向异性的准一维结构。在面内沿着两个垂直晶体取向方向上具有不同的物理性质，其中每个层内由准一维带状结构组成，层间通过范德华相互作用耦合。角分辨拉曼光谱测试表明少层的高质量单晶表现出显著的角度依赖拉曼峰。通过杂化泛函理论计算得出其带隙约为1.2 eV，与实验基本相符。了解光学和电学各向异性SnIISnIVS3可以作为一种有价值的方法，通过设计或探索新型混合价材料来彻底了解或进一步增强各向异性特性。使用基于密度泛函理论的第一性原理计算分析了各向异性的吸收及混合价态带来的各向异性的电荷分布。

图2. SnIISnIVS3晶体的理论和实验的光学性质

图3. 基于准一维SnIISnIVS3纳米线的偏振光探测器件及柔性器件

值得指出，该准一维晶体其在深紫外区域到近红外区域具有优异的各向异性偏振光吸收，吸收二向色性比达到了3.4。此外基于高度空气稳定的SnIISnIVS3纳米线制造的偏振敏感光电探测器在UV-Vis-NIR光谱范围（紫外盲区到近红外）中显示出强烈的线性二向色性，响应度超过~150A/W。将器件进一步构造在柔性基底上发现重复弯曲之后器件想光电信号近乎不变。这项基于新型混合价驱动的准一维硫化物SnIISnIVS3的研究有助于开发具有环境稳定性和机械灵活性的广泛的偏振敏感光电探测器。

该研究成果在从实验和理论方面深入分析了混合价态驱动的准一维SnIISnIVS3的结构、振动、光学和光电各向异性。这种独特的低对称性窄带隙准一维材料由于其优异的性能在开发新型电子和光电器件具有潜在的应用前景。