Adv. Funct. Mater.：2D GeAs高度的面内光、电各向异性

【引言】

各向异性的2D材料具有特殊的光学、电学和热电性质，因此有望用于各类角度依赖的器件中，例如集成数字逆变器、人造突触、偏振敏感的光探测器、中红外偏光器等。晶体结构和对称性决定着2D材料的基本性能，是理解各向异性结构-性能关系的关键。IV-V族化合物，如GeP、GeAs、SiAs，是一类低对称材料，目前作为一类新型的2D层状材料而备受关注，具有异于其块体样品的性能。2D层状GeAs材料的稳定性、成键和电子特性已经通过理论计算进行了广泛研究，然而其面内的各向异性还未从实验上加以研究。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学杨圣雪副教授（第一作者）、蒋成保教授、北京工业大学张永哲教授和美国Rice大学P. M. Ajayan教授等人在Adv. Funct. Mater.发表了题为“Highly In-Plane Optical and Electrical Anisotropy of 2D Germanium Arsenide”的研究论文，报道了2D GeAs材料面内各向异性的最新研究成果。研究团队首先通过高压熔融的方法制备了GeAs单晶，然后通过微机械剥离的方法得到不同厚度的2D层状GeAs片，并转移到300nm厚的SiO₂/Si(100)衬底上进行角分辨拉曼光谱、反射差分光谱(ADRDM)和偏振分辨电学测试。角分辨的测试结果显示，低对称的2D层状GeAs具有显著的面内光、电各向异性。ADRDM结果以一种可视化的方式直接证实了层状GeAs的面内光学各向异性，拉曼强度各向异性与样品厚度、激发波长和偏振模式密切相关，而少层GeAs场效应晶体管的电学输运测试结果表明，其zigzag方向的迁移率是armchair方向的数倍(4.6倍)，其值大于ReS₂和黑磷器件。

【图文导读】

图1 2D层状GeAs的晶体结构和拉曼光谱

(a-b)分别为层状GeAs晶体结构的侧视和俯视图。红色和蓝色球分别代表Ge和As原子；

(c)密度泛函理论（DFT）方法计算得到的GeAs的拉曼光谱强度；

(d)平行模式下633nm波长(130μW)激发时11nm GeAs片的拉曼光谱；

(e)角分辨拉曼光谱的两种测试模式(平行和垂直)示意图。

图2 2D层状GeAs的TEM表征和角分辨拉曼光谱

(a-b)分别为11nm GeAs片的HRTEM图和相应的SAED图；

(d-c)分别为平行和垂直模式下GeAs片的角分辨拉曼光谱；

(e-f)两种模式下角分辨拉曼强度的极坐标图。

图3 根据拉曼张量模拟的各向异性拉曼强度的极坐标图

图4 多层GeAs片的角分辨光学各向异性

(a)通过微机械剥离法转移到各向同性SiO₂/Si(100)衬底上的多层GeAs片的光学照片。标尺为20μm；

(b)图(a)中的GeAs片上具有不同厚度的两个点的ADRDM结果；

(c)不同角度的ADRDM影像(0°~170°，10°/步)。

图5 少层GeAs FETs的偏振分辨电学输运测试结果

(a)分别为0°和90°下（晶体取向的zigzag和armchair方向），在300nm SiO₂/p++ Si衬底上的少层GeAs FET的室温转移曲线；

(b)GeAs FET在8个方向上的归一化的场效应迁移率的极坐标图。

【小结】

本文采用角分辨拉曼光谱、ADRDM、偏振分辨电学输运测试和相关的理论计算成功地揭示了2D层状GeAs的面内光、电各向异性，对理解各向异性2D材料的构效关系具有十分重要的意义，也为制备基于2D层状GeAs和其他低对称2D材料的高性能器件打下了很好的基础。

【第一作者简介】

杨圣雪，北京航空航天大学材料科学与工程学院副教授，于2013年获得理学博士学位，2013-2015年中国科学院半导体研究所博士后，2016-2017年加州大学洛杉矶分校博士后。研究方向为二维半导体材料，研究领域包括二维材料制备，面内各向异性特性表征，电输运、光电、磁学性能研究等，共发表SCI论文48篇，包括Nano Lett., 1篇，Appl. Phys. Rev., 2篇，Adv. Mater., 1篇，Adv. Funct. Mater., 1篇，ACS Nano, 1篇，Nano Res., 1篇，ACS Appl. Mater. Interfaces, 2篇，Nanoscale, 5篇等，论文他引1000余次，ESI高被引论文2篇，H因子19。

文献链接：Highly In-Plane Optical and Electrical Anisotropy of 2D Germanium Arsenide (Adv. Funct. Mater., 2018，DOI: 10.1002/adfm.201707379)

感谢杨圣雪老师对本文的斧正和对材料人编辑部的指导！

本文由材料人编辑部纳米学术组Roay供稿，材料牛编辑整理。

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