综述：二维低对称性材料的最新进展：晶体结构、调控策略及功能应用

本综述系统梳理了2020-2025年间二维低对称性材料的研究进展，从晶体结构（正交、单斜、三斜晶系）分类入手，详细阐述了其各向异性光学、电学及光电特性；重点总结了应变工程、外场调控、晶体结构工程和界面对称性工程等四种增强材料各向异性的策略（如各向异性比率>10）及其潜在机制；进而探讨了该类材料在偏振探测成像与神经形态器件等前沿领域的应用，并对未来挑战与发展趋势进行了展望，为二维低对称性材料的基础研究与器件应用提供了全面参考。

引言

二维材料凭借其原子级厚度和独特的光电性质，在凝聚态物理、材料科学和光电器件领域展现出巨大的研究价值。然而，传统的二维材料如石墨烯和二硫化钼（MoS₂）由于其高度对称的晶体结构，通常表现出面内各向同性的光学和电学性质，这限制了它们在偏振光电器件中的应用。2014年黑磷（BP）的发现首次揭示了由其褶皱晶体结构引起的显著面内各向异性，开启了二维低对称性材料研究的新篇章。偏振光是大气散射、生物视觉等自然现象的核心特征，而人类视觉系统无法直接感知偏振信息。传统的偏振敏感探测器需要集成偏振片、光电转换组件和复杂的信号处理电路，存在体积大、成本高、稳定性差和偏振检测范围有限等缺点。二维低对称性材料的出现，从根本上改变了传统偏振探测的技术路径：其源自不对称晶格结构的内禀光学和电学各向异性，能够将偏振光信息直接转换为电信号，无需额外的光学元件，极大地简化了器件结构，推动了小型化、高集成度偏振探测技术的发展。

低对称性二维材料的晶体结构及面内各向异性物理性质

二维材料的面内各向异性性质紧密依赖于其晶体对称性，低对称性晶体结构是二维各向异性材料的核心特征。根据晶体对称性，当前的二维各向异性材料可分为正交、单斜和三斜晶系。

正交晶系

黑磷（BP）作为二维面内各向异性材料的典型代表，属于正交晶系的Pbam空间群。其褶皱结构沿a轴清晰可见。由于磷原子孤对电子对键合的排斥作用，层内沿扶手椅（AC）和锯齿链（ZZ）方向的键长和键角存在显著差异，这正是黑磷在这两个方向上物理性质各向异性的根本原因。黑磷表现出广泛的带隙可调性，从体材料的0.3 eV到单层的1.53 eV。其光学吸收各向异性比率在480 nm波长下可达2，空穴迁移率高达1000 cm²·V^–1·s^–1，迁移率各向异性比为1.5。硅磷化物（SiP和SiP₂）同样结晶于正交晶系，但空间群不同。SiP₂中硅和磷原子通过强共价键形成五元环链，相邻链通过Si–P和P–P键相互连接，形成波纹状平面结构。这种类似于黑磷的褶皱构型赋予了SiP₂显著的各向异性，其电学和光电各向异性比分别为2和1.6。其他材料如GeS、SnS、PdSe₂、Ta₂NiS₅等也属于正交晶系，并表现出各向异性。

单斜晶系

紫磷（VP）作为黑磷的一种新兴同素异形体，因其优异的环境稳定性和更宽的带隙范围（1.42–2.54 eV）而受到广泛关注。它结晶于P2/c空间群，其独特结构是由三配位P–P键形成的管状结构，这些管在同一平面内平行排列，相邻平面中的管取向垂直，通过顶点磷原子连接形成磷烯层。块体紫磷表现出显著的各向异性输运性质，电导比率达5.6，并具有偏振敏感的光电响应（在520 nm波长下二向色性比为3.9）。GaTe、GeP、ZrS₃、GeSe₂、CrPS₄、NbOI₂等材料也属于单斜晶系。以NbOI₂为例，其结构由NbO₂I₄八面体单元构成，沿b轴（极化方向）的Nb-O键具有两种不同的键长（1.80 Å和2.10 Å）。这种独特的结构配置赋予了NbOX₂化合物面内各向异性和内禀铁电性。

三斜晶系

ReQ₂（Q = S, Se）晶体结晶于三斜晶系（空间群P1），由于缺乏对称轴和镜面而表现出显著的各向异性。以ReS₂为例，其结构包含严重畸变的ReS₆八面体，这些八面体沿b轴形成边共享链，而Re原子5d价电子引起的佩尔斯畸变导致Re₄团簇和Re-Re金属链的形成，从而产生各向异性框架。ReS₂纳米片在800 nm波长下光学吸收各向异性比达3.0，器件电导各向异性达3.1，在516 nm波长下偏振敏感光电探测比达4.0。

各向异性性质的调控策略

尽管二维低对称性材料具有内禀各向异性，但其性能参数（通常<5）有限，难以满足高性能偏振光电器件的需求。为此，研究人员开发了多种调控策略来增强其各向异性。

应变工程

应变工程作为一种通过机械拉伸或压缩应变来调控材料性质的加工技术，在二维材料中展现出独特优势。二维材料相比块体材料具有更优异的形变耐受度，可以承受更大的应变而不破裂。例如，通过将ZrSe₃薄片附着在柔性PET基底上并弯曲，可以施加沿b轴的单轴拉伸或压缩应变。在最大压缩应变（ε = –0.7%）下，光诱导吸收（PA）峰的各向异性比率ρ达到约11.2，约为无应变条件下的两倍。应变不仅增强了低对称性材料的内禀各向异性物理性质，还可以降低各向同性材料的对称性以诱导各向异性特征，例如在单层WSe₂上通过纳米线施加应变，可以实现激子传输的方向性控制。

外场调控

利用外场（如电场、磁场）对材料物理性质的可调性，是另一种有效的调控手段。例如，利用铁电材料P(VDF-TrFE)的极化畴定义黑磷面内PN同质结，在1450 nm入射光下实现了高达288的超高偏振比。在范德华反铁磁绝缘体CrPS₄中，通过施加适度的栅极电流，可以实现二阶谐波磁光（SHM）输运的显著电控各向异性，各向异性比率可从100%连续调控至约4000%，甚至在特定栅流下达到2.5 × 10⁶%。此外，利用金属纳米天线的等离子体共振效应，也可以通过调控纳米天线的取向角来有效实现偏振光电探测功能。

晶体结构工程

调控晶体结构是控制各向异性的根本手段。通过相变、掺杂、蚀刻、阵列化和卷曲等方法，可以有效调控材料的晶体结构和各向异性性质。例如，通过周期性相变工程策略，可以增强二维VO₂单晶的面内各向异性，使其电导各向异性比率最大达到~113。通过化学掺杂生长二维GeS_1-xTe_x（0 ≤ x ≤ 1）纳米片，可以在保持强面内各向异性的同时，基于不同组分比例连续调控偏振光电响应。通过选择性蚀刻和光刻技术图案化二维材料，控制其几何结构和尺寸，可以降低材料的整体对称性，例如自组装的WS₂剪纸结构实现了可见光和红外光谱的偏振敏感探测。

界面对称性工程

范德华异质结构是指通过弱范德华力组装二维材料层形成的人工结构体系。将低对称性材料与各向同性材料通过范德华力耦合，由于晶格失配会在界面处形成莫尔超晶格，从而引入各向异性电子势，有效调控原本各向同性材料的对称性。例如，将具有C₃旋转对称性的WSe₂和具有C₂旋转对称性的黑磷沿其镜面对称方向堆叠，由于两层对称性不兼容，界面仅保留C₁对称性。构建SiP₂/MoS₂介电/半导体异质界面，实现了对界面处各向同性半导体性质的对称性工程调控，诱导出显著的各向异性电学和光学响应。新型低对称性GaInS₃晶体与MoS₂构建低对称性异质结界面，实现了各向异性光电和电学响应，偏振光电探测比沿AC方向达到167。

应用

二维低对称性材料由于其面内物理性质对晶体取向的依赖性，在新颖光电器件领域展现出独特优势。

偏振探测成像

基于二维低对称性材料面内晶体结构和对偏振光的敏感性，可以直接探测和识别偏振光状态，从而显著简化系统组件。例如，基于GaInS₃的压电光伏特性设计的应变器件，实现了无额外偏压的自驱动高分辨率偏振成像。基于PdPS的偏振敏感光电探测器在532 nm波长下响应度达10³ A W⁻¹，探测率达4 × 10¹¹ Jones，能够清晰区分复杂环境中隐藏的目标。PdSe₂/WS₂异质结光电器件结合偏振探测技术，可实现低功耗信息传输和图像卷积处理。

神经形态器件

二维低对称性材料以其独特的结构和性质，为构建高密度、低功耗、多功能集成的神经形态器件提供了理想平台。例如，基于褶皱ReS₂晶体管设计的器件，其褶皱结构促进了介电界面处的载流子俘获/脱俘获，实现了非易失性存储器与电子和光电突触功能的集成，由于材料的光学和电学各向异性，其突触响应表现出方向依赖性，增强了对不同图案图像的识别和记忆能力。基于ReS₂/GeSe₂异质结构制备的光控偏振忆阻器，具有偏振敏感性、非易失性以及正/负光电导特性，可模拟蜜蜂导航机制实现高精度导航定位，或模拟人类视觉系统结合深度学习进行模式识别。基于NbOI₂的面内各向异性和时间拉伸光学响应开发的二维时间拉伸各向异性突触器件，能够实现单帧图像传感器中的跨强度特征融合，在相关数据集上获得高识别精度。

结论与展望

二维低对称性材料凭借其内禀的面内各向异性特性，在材料科学和光电器件领域取得了突破性进展。系统性的晶体结构分类揭示了正交、单斜和三斜晶系材料基于独特的晶格排列表现出差异化的光学、电学和光电各向异性，为偏振光电探测、神经形态计算等提供了多样化的材料平台。在性能调控方面，应变工程通过晶格重构实现各向异性比率提升；外场调控通过铁电掺杂和磁自旋控制打破内禀性能极限；晶体结构工程通过相变和掺杂拓展材料功能边界；界面对称性工程通过异质结耦合诱导高对称性材料产生各向异性。这些策略共同推动了二维低对称性材料从基础研究走向实用器件开发。在应用方面，基于这些材料的偏振探测器实现了从可见到红外波段的高灵敏度探测，在复杂环境成像和信息加密方面显示出优势；神经形态器件通过模拟生物视觉和突触功能，在模式识别和自动驾驶中展现出低功耗、高效率的潜力，为人工智能硬件创新提供了新路径。

尽管取得了显著的研究进展，低对称性二维材料仍面临诸多挑战。未来的发展机遇与挑战包括：开发具有超高化学稳定性、热稳定性和显著各向异性的新材料体系；探索简单、无损、可扩展的封装层以保护材料稳定性；创新多场耦合调控技术，实现材料各向异性的动态、连续、精确操控；拓展器件功能，向多波段、高分辨率、小型化、柔性化方向发展，并设计集记忆、计算和传感功能于一体的神经形态器件；致力于实现大面积、高均匀性、层数可控的制备方法，推动其从实验室原型走向晶圆级集成和半导体工艺兼容，解决产业化应用的核心瓶颈。作为新兴的低维功能材料，二维低对称性材料以其独特的结构和性质，为下一代光电器件提供了新的设计范式。随着基础研究的深入和技术瓶颈的突破，该领域有望在偏振成像、人工智能和量子信息等领域实现颠覆性应用，推动信息技术的新革命。