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拓?fù)淞孔芋w系長波室溫新機(jī)理太赫茲探測研究取得新進(jìn)展


  來源: 中國科學(xué)院 時(shí)間:2020-09-21 編輯:清風(fēng)
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近日,中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員王林、陳效雙和陸衛(wèi)團(tuán)隊(duì)與意大利拉奎拉大學(xué)教授Antonio Politano團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)教授萬賢綱團(tuán)隊(duì)合作,提出了C3V反演結(jié)構(gòu)特征的第二類狄拉克半金屬材料(Type-II Dirac Semimetal)太赫茲探測結(jié)構(gòu),揭示由本征對稱性破缺導(dǎo)致的室溫太赫茲頻率電磁轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,并實(shí)現(xiàn)了基于該材料的偏振、高性能成像演示功能,相關(guān)結(jié)果以Anisotropic ultrasensitive PdTe2-based phototransistor for room-temperature long-wavelength detection為題發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。


隨著信息時(shí)代的快速發(fā)展,利用低能光子頻帶(0.1~10THz,terahertz gap)范圍工作的微型器件成為新一代無線通訊、智慧城市及安全體系建設(shè)的重要信息載體。傳統(tǒng)光電器件依賴于窄帶隙半導(dǎo)體或能帶工程(金屬、半導(dǎo)體、絕緣體)的發(fā)展,在低能光子頻帶存在性能指數(shù)下降的趨勢,需要深低溫來抑制噪聲以獲得足夠的靈敏度,面臨著本征極限問題。因此,人們嘗試從微觀原子尺度操控來構(gòu)造特定的輸運(yùn)或光電子特性,以期改變傳統(tǒng)依賴于單粒子激發(fā)的能帶探測模式帶來的瓶頸。


研究人員將具有原子薄層結(jié)構(gòu)的拓?fù)浒虢饘貾dTe2有效集成到天線耦合結(jié)構(gòu)中,PdTe2具有原子堆疊的拓?fù)鋵ΨQ性,加上其強(qiáng)自旋-軌道耦合形成的傾斜狄拉克錐,使得該材料具有各項(xiàng)異性半閉合的費(fèi)米面以及大的THz吸收系數(shù)(圖1b)。研究發(fā)現(xiàn)Cr-PdTe2界面電荷轉(zhuǎn)移形成界面態(tài),通過金屬log天線(圖1d,1e)耦合的共同作用(synergistic effect)對PdTe2表面電子產(chǎn)生周期性的驅(qū)動震蕩(圖1f)。由于空間反演的破壞(圖1c),震蕩的電子在晶格C3v旋轉(zhuǎn)勢的作用下產(chǎn)生不可抵消的橫向電流(圖1f)和高頻電磁整流效應(yīng),可以在寬的電磁頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能探測與成像。


研究人員還通過環(huán)形電極耦合的偏振探測實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了表面光電流極性分布滿足C3v非平衡散射及晶格對稱性關(guān)聯(lián)(圖2a),實(shí)驗(yàn)獲得了2pW/Hz0.5的探測靈敏度與快速響應(yīng),表明半金屬材料的奇異行為可能在長波光子探測中帶來新變革。


該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、上海市科委計(jì)劃項(xiàng)目以及上海技物所啟明星研究員計(jì)劃的支持。



圖1.a:Type-II狄拉克拓?fù)浒虢饘夙诨Z(PdTe2)的晶體結(jié)構(gòu);b:費(fèi)米面的電子-空穴費(fèi)米包結(jié)構(gòu);c:內(nèi)建電場誘導(dǎo)的對稱性破壞;d、e:Log天線集成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性局部電子震蕩;f:形成橫向凈電流。



圖2. a:基于環(huán)形天線電極探針的材料表面光電流分布滿足C3v旋轉(zhuǎn)規(guī)律;b:器件在0.14THz和0.3THz下的透射成像效果。



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