Unveiling Transition Dipole Moment Anisotropy and Symmetry Breaking Mechanism in Wurtzite Nitride Toward Polarization‐Sensitive Ultraviolet Detection

材料科学 凝聚态物理 偶极子 各向异性 二向色玻璃 纤锌矿晶体结构 极化(电化学) 跃迁偶极矩 半导体 分子物理学 对称性破坏 直接和间接带隙 带隙 波段图 密度泛函理论 光电子学 电子能带结构 Crystal(编程语言) 二色性 光学 宽禁带半导体 激子 各向同性 光激发 电荷密度
作者
Jinjie Zhu,Qing Cai,Xicheng Zhang,Pengfei Shao,Hongyun Zhao,Saisai Wang,Linling Xu,Haifan You,Hui Guo,Bin Liu,Hai Lu,Jiandong Ye,Y J Zheng,Rong Zhang,Dunjun Chen
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e74264-e74264
标识
DOI:10.1002/adma.74264
摘要

Polarization detection in shortwave spectrum using wurtzite wide-bandgap semiconductors remains challenging due to the isotropic limitations of conventional polar crystal planes. Nonpolar planes offer a promising route, yet the underlying physical mechanism is unclear. Here, we establish a direct correlation between crystallographic polarity and anisotropic photoresponse on nonpolar a-plane GaN, demonstrating an intrinsic polarization-sensitive photodetection scheme. Crystal-field-induced valence band splitting yields distinct transition dipole moments from heavy-hole and crystal field split-off bands to the conduction band minimum, enabling selective absorption for light polarized perpendicular or parallel to the c-axis. Using the nonpolar plane of GaN, electron transition probability between the heavy-hole band and conduction band minimum for polarization perpendicular to the c-axis is selectively enhanced, governing polarization-angle-dependent absorption. Our device achieves a high dichroic ratio of 3.79 (318% higher than c-plane) and an ultrafast response speed of 1.7 µs at 10 V, surpassing conventional polar-plane architectures and prior polarization-sensitive detectors. Furthermore, by introducing an oxygen injection layer to strategically break lattice symmetry, anisotropic charge density distribution around oxygen atoms further enhances the dichroic ratio. Exceptional polarization discrimination is validated in single-pixel polarized imaging and intensity/polarization binary-channel optical communication encryption. This work establishes a material-intrinsic paradigm for high-sensitivity polarization detection, offering new perspectives for multidimensional optoelectronics.
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