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第一作者：舒照偉、彭喬俊、黃浦

通訊作者：周興、翟天佑

通訊單位：華中科技大學

研究亮點：

1. 分子篩和鹽共輔助制備二維PbSnS₂納米片（最薄~2.4 nm）。

2. 高度各向異性的電子器件，例如空穴遷移率：μ_armchair/μ_zigzag= 1.78。

3. 巨大的各向異性光電子學，例如光響應：R_zigzag/_armchair=1.25。

二維材料

二維材料由于其可調的能帶結構、強光物質相互作用、量子限域效應等特性而在下一代電子和光電子領域中具有重要應用前景。然而目前研究最多的二維材料大多基于一元或二元材料體系，這阻礙了二維材料應用的進一步研究。最近，二維三元材料作為二維材料家族的新成員，其可變的化學計量比可以影響能帶結構、聲子振動、晶格對稱和載流子輸運，這對電子學、熱電子學和光電子學具有重要意義。

三元硫錫鉛礦

三元硫錫鉛礦（PbSnS₂）是層狀p型半導體，由Pb或Sn原子的與S原子鍵合并形成類似于黑磷的褶皺結構。PbSnS₂具有良好的吸光效率，有望用于光伏電池。它還具有較低的晶格熱導率，因此也是良好的熱電材料。此外，具有更低對稱性的斜方結構可能產生新穎的物理特性，例如各向異性的電學和光學特性。但是，幾乎沒有關于超薄PbSnS₂結構的報道，更不用說它們的光電特性了。由于復雜的前驅物和反應過程以及反應中可能存在的復雜物相（例如PbS或SnS），使PbSnS₂的合成難以控制。因此，迫切需要一種有效的方法來實現超薄的PbSnS₂結構的生長。

成果簡介

近日，華中科技大學翟天佑/周興課題組報道了一種新型的二維三元材料（PbSnS₂）的可控合成及其各向異性光電性能研究。

圖1. 二維PbSnS₂納米片的合成策略及其表征。

要點1：超薄二維PbSnS₂制備

在該工作中，作者采用分子篩和鹽共同輔助的氣相沉積法實現了超薄二維PbSnS₂的可控制備，得到的納米片最薄可至2.4 nm。

要點2：PbSnS₂納米片的各向異性光學性質

通過偏振拉曼光譜的研究發現，PbSnS₂納米片分別在平行和垂直模式下具有明顯的周期變化拉曼光譜現象，說明其具有顯著的各向異性光學性質。

圖2. PbSnS₂納米片的偏振拉曼光譜。

要點3：PbSnS₂納米片的各向異性光電性質

鑒于其顯著的各向異性光學性質，作者通過構筑多對電極對其各向異性光電性質進行研究（圖3）。圖3B為不同對電極方向的電學特性，發現扶手椅和之字形方向的電導率相差最大可達1.77。進而得到其扶手椅和之字形方向的載流子遷移率之比可達1.78，說明其扶手椅方向的空穴遷移率要遠大于其之字形方向的遷移率。圖3C表明在不同功率光照下PbSnS₂納米片都顯示出明顯的各向異性光電響應。

圖3D和E的時間響應光電流曲線都表明PbSnS₂納米片在扶手椅和之字形方向同時具有良好的循環穩定性和快速響應（扶手椅方向響應恢復速度分別為：72 ms和8 ms；之字形方向響應恢復速度分別為：76 ms和8 ms），說明不同晶格方向的響應速度差別不大。但是作者發現PbSnS₂納米片在扶手椅和之字形方向的光響應度具有顯著差異R_zigzag/_armchair=1.25，圖3F中的各向異性的光響應功率銀子也能輔助說明之字形方向的光電轉換效率高于扶手椅方向，但是其具體各向異性的響應機制還有待進一步研究。

圖3. PbSnS₂納米片的各向異性光電性質。

小結

綜上所述，作者采用分子篩和鹽共輔助的化學氣相沉積法實現了二維PbSnS₂納米片（最薄~2.4 nm）的可控制備。并對其構筑面內多對電極器件研究其各向異性的光電性質。發現其具有高度各向異性的空穴遷移率：μ_armchair /μ_zigzag= 1.78以及巨大的各向異性光響應：R_zigzag/_armchair= 1.25，說明其在偏振探測器領域具有重要應用前景。

參考文獻

Shu, Zhaowei, et al.Growth of Ultrathin Ternary Teallite (PbSnS₂) Flakes for HighlyAnisotropic Optoelectronics. Matter (2020).

DOI:10.1016/j.matt.2020.01.013

https://www.sciencedirect.com