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狄拉克半金属能带优化的太赫兹探测器

2021-07-12

 

随着光电技术日新月异的高速发展,传统红外光电探测器的响应谱段已经拓展到了长波、甚长波红外乃至太赫兹波段。由于太赫兹探测在大气研究、环境监测、深空探测、雷达成像、安保监控、无损检测、精细遥感、空间通信等各个领域有着巨大的应用价值,因而美国VDI、航天局NASA、海洋局NOAA、欧洲ESA、日本JAXA等机构对该领域给与了极大关注,正大力发展基于长波太赫兹新型探测以及焦平面光谱成像技术。现有太赫兹探测器件受到工作温度、响应时间、量子效率、探测灵敏度、面阵尺寸等诸多因素的限制,面临着基本性能与集成的束缚瓶颈,因此必须从太赫兹光敏材料入手,创新探测机制来打开高性能集成化太赫兹探测技术的突破口。近年来,拓扑物态调控领域的进展开启了人工低能态激发的新维度,而太赫兹波所拥有的低能量光子有望成为拓扑半金属线性色散关系能带性质及其光电行为研究的有效媒介。因此将新型拓扑材料与太赫兹光电响应新机理相结合,有望开辟一条全新的太赫兹光电探测变革性技术路径。

最近,中国科学院上海技术物理研究所与南京大学等相关团队提出了在材料中替位掺杂来精准调控II型狄拉克半金属费米能级的新方法,通过在IrTe2材料引入Pt的掺杂得到稳定的、能带可调控的新型II型狄拉克半金属,设计了具有高性能探测能力的太赫兹探测器结构。由于第II型狄拉克锥的倾斜可实现更宽阔的波长吸收,当费米能级与狄拉克点接触的情况下表现出太赫兹波吸收异常增强的特性,产生大量光载流子,获得室温光电导大幅度增强,从而实现了低功耗、高响应的太赫兹探测功能。并且通过构建狄拉克半金属范德华异质结,进一步抑制热扰动噪声,提升了快速响应性能。通过对药品胶囊的成像研究,课题组进一步验证了该器件在理想应用场景下的工作潜力。本研究工作表明了在原子层面构筑新材料、新器件的可行性,为原子尺度上操控新型拓扑态提供了新的方案。同时也为新型II型狄拉克半金属在光电探测的应用奠定了实验基础,预示了拓扑材料在成像、通讯等领域的巨大应用潜力。

图1. 材料能带变化及器件原理和性能。

研究结果于2021年2月23日以“Colossal Terahertz Photoresponse at Room Temperature: A Signature of Type-II Dirac Fermiology”为题发表在ACS Nano上。徐煌、费付聪和陈支庆子为文章的共同第一作者,王林研究员、陈刚研究员、陈效双研究员和南京大学的宋凤麒教授为文章共同通讯作者,研究工作也同时得到了南京大学万贤纲教授的合作支持。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然基金委、上海市科委以及启明星研究员计划等的大力支持。

详情请查看论文链接:https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c10304



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