近年来，以二硫化铼（ReS2）和二硒化铼（ReSe2）为代表的铼系二维半导体受到学术界和工业界的广泛关注，因为它们具有独特的面内各向异性光电性质，并在偏振光电探测器等领域展现出巨大的应用潜力。如何通过更简易、快速的光学手段识别铼系二维半导体晶轴取向，如何非破坏性地调控其光学各向异性行为，以及如何实现铼系二维半导体可控制备，对于未来基于各向异性范德华材料的偏振可编程光学和光电子器件的发展具有重要意义，但仍具有挑战性。
今年，光仪学院李大卫教授团队在铼系二维半导体研究领域取得重要进展，相关研究成果先后被纳米科学领域知名期刊《美国化学学会纳米杂志》（ACSNano）、应用物理学领域著名期刊《应用物理快报》（Applied Physics Letters）等刊发。
1T’-ReS2属于三斜晶系，拥有两个面内晶体取向（a轴和b轴）和一个垂直晶体取向（c轴）。其中，b轴沿着Re链方向，而c轴具有两个相反的极性状态。研究表明，ReS2的光学性质与其面内/外晶轴取向密切相关。目前，光学方法中仅有偏振拉曼测量可同时判定面内和面外晶轴取向，但是进行偏振拉曼测量前，需谨慎选择激发光源。此外，基于ReS2的光学各向异性行为调控已有一些手段可实现，包括应变工程、离子轰击和电子掺杂等。但是，这些方法会引起二维材料的不可逆晶格缺陷，非破坏性的光学各向异性调制尚未得到实现。
鉴于此，该团队报道了一种改进的偏振光学成像方法，能够同时识别单层到几层ReS2的面内晶轴取向和面外晶轴取向，同时提出了一种通过扭曲堆叠来调整ReS2光学各向异性的非破坏性方法（图1）。研究发现，通过平行偏振光学成像和近正交偏振光学成像分析，可以独立判定单层到少层ReS2的面内和面外晶体取向，线性电磁理论模拟很好地解释了这一发现。此外，平行偏振成像可以辅助我们调节双层ReS2的扭转角。基于此，通过扭转堆叠具有相同或相反c轴的双层ReS2，实现了从高度光学各向异性特性到全各向同性光学行为的巨大调控。结合电磁理论和薄膜干涉理论，该现象得到了完善的解释。这种独特的光学调控行为与层间耦合效应无关，显示出不同于其他扭曲光学现象如莫尔激子对层间耦合的需求。相关研究成果以“1T'相二硫化铼晶轴取向精准判定及扭转堆叠光学各向异性调控”（Precise Crystal Orientation Identification and Twist-Induced Giant Modulation of Optical Anisotropy in 1T'-ReS2)为题，发表在《美国化学学会纳米杂志》（ACS Nano）期刊（2024, 18, 13899. IF: 17.1），我校光仪学院博士生孔繁艺为第一作者。
图1 扭转堆叠调控双层1T'-ReS2光学各向异性行为
另外，作为两种铼系二维半导体，ReS2和ReSe2具有相同的晶体结构，但在带隙宽度、带隙类型、导电类型等物性方面存在差异。虽然ReS2在可控制备和可调光电应用方面已经取得了较大进展，但关于ReSe2可控制备和应用方面的报道仍较少。在ReS2和ReSe2制备方面，目前的方法均存在一定不足，例如机械剥离产率低、液相剥离产物缺陷多、CVT和PVD耗能高且要求真空、CVD不能保证前驱体充分利用。在应用方面，目前所报道的ReSe2光探测器的开关比、响应速度普遍偏低。
鉴于此，该团队报道了一种基于夹片结构的空间限域固相生长法，实现了高质量、双晶区ReSe2半导体的低温（≤600oC）可控制备（图2）。该方法与目前常用生长方法相比，具有能耗低、反应纯净、原料利用率高等优点。另外，提出了基于此生长方法的ReSe2四步生长模型，即ReSe2从Re粉和衬底接触处开始成核，随后长出两个间隔60o的条形分支，两个分支区域逐渐被填充，最终形成双晶区三角形产物。该模型已通过偏振拉曼和偏振光学手段得到证实。研究发现，通过控制晶界的方向，可以在双极型和n型之间调控双晶区ReSe2器件的电导行为。此外，所生长的ReSe2半导体表现出优异的光探测器性能，包括高达8000的光开关比、低至0.3 ms的超快响应时间，超过了大多数已报导的ReS2和ReSe2光探测器。相关研究成果以“基于空间限域固相法的双晶区1T'相二硒化铼可控制备及在可调光电器件中的应用”（Space-confined solid-phase growth of two-domain 1T’-ReSe2for tunable optoelectronics）为题，发表在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）期刊（2024, 124, 083102. IF: 4.0），我校光仪学院硕士生佟云颢为第一作者，该文章被选为当期的专题文章（Feature Article）。
图2 双晶区1T’相ReSe2的空间限制固相生长及晶区导电性
以上成果得到国家自然科学基金面上项目、教育部“春晖计划”合作科研项目等多个项目的大力支持。
