湖南大学潘安练团队综述：二维材料偏振光学性质和光电子器件

近年来，光电子信息器件迅猛发展，高性能光电子器件的发展方向正逐渐从信号强度的敏感探测，转向偏振态信息的超敏监测，在新型半导体材料和器件机理研究方面不断寻求新的突破。二维材料是一个丰富的低维半导体家族，作为新兴的原子级超薄材料，表现出独特的光、电、磁性能，诸如各向异性光学性质、能谷-光子自旋耦合、宽波段可调谐光子发射等。一些二维材料由于独特的原子结构排布表现出各向异性的能带结构或者非等价的能谷；一些二维材料容易与纳米光子结构耦合，表现出光子-激子强耦合、谷极化荧光动态调制等现象。二维材料正逐渐成为探究新颖科学问题和研发新型器件的未来材料体系。

光的偏振态信息是继光的强度和频率以外的另一个维度的重要信息，在高精密的光电子系统的信号发生、传输和探测过程都有重要应用。新型的二维材料具有丰富的种类，其偏振光相关的光学特性和光电子器件研究已广泛报道。但是，针对二维材料偏振光响应的物理机制讨论、光学性质分析与总结、未来光电子器件应用展望等报道较少。湖南大学潘安练教授、李梓维副教授综述了二维材料偏振光相关的物理机理、光学特性和光电子器件应用，如图1所示。

图1   二维材料分类、偏振机制及器件应用

主要材料体系和物理机制可以被归类为：各向异性排列的原子晶体引起的各向异性光吸收和光发射，如黑磷（BP）、IV族单硫族化合物（MX, M=Sn, Ge, Re, X=S, Se）、IVB族三硫族化合物（MX₃, M=Ti, Zr, X=S, Se）等；对称性破缺的六方晶格原子晶体引起的偏振光子-能谷耦合以及谷极化荧光调控，如过渡金属双硫族化合物（TMD，MX₂, M=W, Mo, X=S, Se）、双层石墨烯、氮化硼体系等；二维材料与纳米光子结构异质集成引起的光子-激子强耦合、谷激子霍尔效应、谷激子定向传输、谷极化子器件等。基于以上物理过程，二维材料可以被制备为偏振响应的光电子器件、周期偏振光电流响应器件、能谷霍尔器件、偏振极化子器件、非线性器件、偏振态光发射器件等，在信号检测、偏振光源、宽波段调谐器和传感器领域具有广阔的应用前景。

基于二维材料偏振光响应物理机制研究，二维材料在未来具有广阔的应用前景，一些研究方向和亟待解决的物理问题更值得关注。首先，二维各向异性材料或纳米光子结构耦合的二维材料在量子信息器件方面具有明显特质优势，相关非线性光学性质研究、谷量子态操控、量子信息器件等研究具有重要意义；另一方面，成熟的硅基微电子集成系统发展遇到了物理瓶颈，二维材料在尺寸和光电性质方面具有天然优势，解决二维材料和硅基CMOS的系统集成，研发低维半导体/硅基混合器件，解决下一代光电子信息器件的集成问题具有长远意义。因此，偏振有关的光电子学为低维材料科学和器件集成应用的蓬勃发展开辟了新的机遇。

潘安练，湖南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，中组部“万人计划”领军人才，湖南光电集成创新研究院院长，中德“低维半导体集成光子学”联合实验室中方主任。潘教授2006年取得中国科学院物理研究所博士学位，随后赴德国马普微结构物理所从事洪堡学者访问研究，2007年底加盟了美国亚利桑那州立大学电子工程系从事博士后研究并取得助理研究教授，2010年初受聘湖南省“芙蓉学者”特聘教授全职加盟湖南大学工作。潘教授主要从事新型半导体材料和集成光电子技术研究，力求解决新一代信息通信领域的核心元器件和光子芯片技术。他在Science, Nature Nanotechnology, Nature Materials等国际期刊上发表了200余篇研究论文，多项研发成果已在国际上产生了重要学术影响，曾以第一完成人两次获得湖南省自然科学一等奖，并于2019年成功获得国家自然科学二等奖。

李梓维，湖南大学材料科学与工程学院副教授、博士生导师、岳麓学者。主要从事二维材料、纳米光子学、新型光电子器件研究，作为第一作者及通讯作者在Adv. Mater. 、ACS Nano、Research等发表SCI论文30篇，相关工作被ACS Nano: 'In Nano'特刊、Wiley Materials Views China、Design for Science等国内外科学网等新闻媒体多次报导。申请中国发明专利6项，授权2项。主持国家自然科学基金青年基金、湖南省自然科学基金优秀青年基金等。

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