导读

近日，复旦大学未来信息创新学院张荣君教授课题组在 Reports on Progress in Physics上发表题为“Giant In-plane Anisotropy in Novel Quasi-one-dimensional Van der Waals Crystal”的研究论文，系统揭示了新型准一维范德华材料Ta₂NiSe₅在可见光至红外波段的巨大面内光学各向异性，首次报道了目前已知范德华材料中最高的面内双折射值（Δn ≈ 2.0）并阐明了其物理机制，为下一代偏振敏感光电子器件和集成光子学的设计与实现提供了新的线索。直博生周红为论文第一作者，张荣君教授为唯一通讯作者。研究工作受国家自然科学基金和中国科学院长春光机所应用光学国家重点实验室开放基金等资助。

光学各向异性在光子操控与偏振探测等前沿应用中扮演着关键角色。双折射（Δn）和二向色性（Δk）是表征材料光学各向异性的重要参数。然而，目前主流无机固体（如YVO₄、α-BaB₂O₄等）或液晶体系的双折射普遍较低（Δn <0.4），难以满足日益增长的小型化、高灵敏光学系统的需求。虽然超材料和超表面可实现较高双折射，但其面临较大的光学损耗与工艺制备困难。二维范德华材料因其由强层内键合与弱层间相互作用所诱导的各向异性特性，近年来成为材料科学及相关器件研究领域的重点。然而，大多数此类材料属于单轴晶体，其光轴主要沿面外方向，限制了其在面内偏振控制方面的实用性。目前少数双轴材料（如黑磷、ReSe₂、Te等）的面内双折射亦较低（Δn <0.5），亟需突破。

本工作以准一维范德华晶体Ta₂NiSe₅为研究主体，系统研究其面内光学、电学与光电各向异性，揭示其巨大的面内双折射行为及物理机制，主要亮点包括：一、突破性面内双折射性能：利用椭圆偏振光谱（SE）、 角分辨偏振拉曼光谱（ARPRS）与角分辨反射差分显微镜（ADRDM）等实验手段，观测到面内最大双折射值高达2.0（可见光至近红外区），为目前已知报道的最大的面内双折射范德华晶体材料；二、理论机制探索揭示：基于第一性原理计算，阐明该巨大的光学各向异性源于显著的极化率差异与材料独特的准一维结构的协同效应。三、光电器件性能优异：基于Ta₂NiSe₅的光电探测器展现出多项优异性能，包括：宽响应光谱范围（520–2000 nm）；快速响应时间（75 μs）；显著的光电各向异性（偏振二色比高达1.89）；红外高分辨率偏振成像能力。

Ta₂NiSe₅晶体具有畸变的链式排列结构，其中NiSe₄单链和TaSe₆双链分别沿a轴延伸，并沿c轴交替排列，进一步导致了显著的面内各向异性特性。通过ARPRS测试提取其Ag¹模（97.1 cm^-1）和Ag²模（121.9 cm^-1）的拉曼峰强度，随偏振角度的周期性变化表明该准一维晶格中声子的振动具有高度各向异性。进一步地，采用了ADRDM技术，通过测量样品在正交面内方向上的归一化反射差值（ΔR/R），对其光学各向异性进行了可视化表征。三维色彩图中的强度代表各向异性强度N，突出的对比度不仅体现了显著的各向异性，也进一步提供了各向异性强度N(θ)随入射光偏振角θ周期性变化的关系。如图1所示。

为全面量化Ta₂NiSe₅的面内光学各向异性，研究团队在室温下进行了Mueller矩阵椭偏光谱（MMSE）测量分析。椭圆偏振光谱（Spectroscopic Ellipsometry , SE）是一种研究薄膜宽波段光学性质的极为有效的手段，具有高精度、高灵敏度和无损探测等优点。Mueller矩阵中的非对角分量反映了交叉偏振效应，其显著的光谱特征与材料的本征光学各向异性密切相关。图2(d)-(e)展示了提取得到的折射率（n）和消光系数（k）在210–1600 nm波段范围内的变化，进一步凸显了其显著的面内光学各向异性。该材料在可见光至红外波段表现出高面内双折射，最大值约达2.0，远超传统双折射晶体和已报道的低维材料。

图2：椭圆偏振光谱提取Ta₂NiSe₅晶体的各向异性信息

Ta₂NiSe₅材料中巨大面内双折射的物理起源和微观机制由临界点（Critical Points, CP）分析和密度泛函理论（DFT）计算结果共同揭示。沿a轴（Γ–X）和c轴（Γ–Z）方向的能带结构，显示出不同轴向色散特性的显著区别。通过计算Ta₂NiSe₅的部分电荷密度（Partial Charge Density, PCD），以评估其电子密度分布，并进一步分析了Ta₂NiSe₅的电子定域函数（Electron Localization Function, ELF），观察到电子云在不同轴向的差异化分布。

原子的电子极化率在光与物质相互作用中具有关键作用，进而影响材料的介电函数与折射率等光学性质。值得注意的是，Se^2-的电子偶极极化率高达10.5 ų，远高于其他离子（如Ni²⁺仅为1.11 ų），使得大的极化率差异成为巨大光学各向异性的主要来源之一。综上，Ta₂NiSe₅晶体的独特准一维结构与极化率强对比协同作用，共同促成了Ta₂NiSe₅中所观测到的强面内双折射效应。

图3：Ta₂NiSe₅巨大面内双折射的物理起源和微观机制理论分析

研究团队自行设计并制备了一种基于Ta₂NiSe₅的光电探测器原型，用以研究其电学和光电各向异性。在 1550 nm 激光照射下，Ta₂NiSe₅展现出优异的角度依赖各向异性电输运特性。在偏振成像测试中，可以清晰地看到高分辨率的“FDU”图案，且90°和0°偏振光产生的探测信号强度差约2倍，其出色的偏振选择性突显了基于Ta₂NiSe₅的光电探测器在偏振红外成像中的巨大应用潜力。

图4：Ta₂NiSe₅各向异性光电响应及偏振成像特性