南大繆峰團隊與合作者在拓撲半金屬負光導效應方面取得重要進展

最近,研究表明拓撲半金屬在低能光子探測方面也展現出巨大的應用潜力。近日,本院繆峰教授團隊與上海大學物理系馬國宏教授課題組合作,首次在PtTe2中觀察到太赫茲波段的負光導效應,並揭示其負光導效應來源於光激發所形成的小極化子對載流子傳輸的抑制效應。

拓撲半金屬因擁有獨特的能帶結構、超高的自旋霍爾電導等新奇物性,逐漸受到凝聚態物理、低維資訊器件等領域的關注。最近,研究表明拓撲半金屬在低能光子探測方面也展現出巨大的應用潜力。作為拓撲半金屬的典型代表之一,PtTe2在太赫茲波段具有非常强的光電響應,有望被應用在室溫超快、高靈敏的太赫茲光電探測器件中,但現時對PtTe2在太赫茲波段的光電響應機制及低能准粒子激發的動力學性質尚不清楚。

近日,本院繆峰教授團隊與上海大學物理系馬國宏教授課題組合作,首次在PtTe2中觀察到太赫茲波段的負光導效應,並揭示其負光導效應來源於光激發所形成的小極化子對載流子傳輸的抑制效應。

在實驗中,研究團隊首先利用化學氣相法製備了不同厚度的PtTe2薄膜,並利用X射線衍射、拉曼光譜以及X射線光電子能譜等手段對資料的結構和物相進行了表徵。隨後合作研究團隊利用光學泵浦太赫茲探測(圖1a-b,OPTP,optical pump-terahertz(THz)probe spectroscopy)科技研究了PtTe2資料在可見光激發下的熱電子動力學行為。由於太赫茲波通過資料的相對透射率變化依賴於太赫茲光導的變化,研究團隊量測了太赫茲波通過PtTe2薄膜樣品的透射率,從而獲得了這類樣品的太赫茲光導性質。不同於第一類狄拉克半金屬(例如Cd3As2)表現出的正太赫茲光導效應,該研究首次報導二類狄拉克半金屬PtTe2在太赫茲波段表現出的負光導效應(如圖1c)。研究發現當一束泵浦光入射到樣品表面,在激發光脈衝持續的時間內,PtTe2的光導迅速上升;在皮秒時間範圍內,PtTe2的光導會迅速地從正效應轉變為負效應。為了解釋這一發現,研究團隊基於PtTe2本身的強電聲子耦合作用,提出了極化子模型,對所觀測到的負光導現象進行了解釋:在初始飛秒時間尺度內,光激發引起了電子的熱化和費米分佈的展寬,從而使得PtTe2薄膜對太赫茲波的吸收得到增强;在隨後的亞皮秒時間內,光激發所產生的熱電子會和晶格振動發生强烈耦合,導致電子周圍的晶格發生扭曲從而形成小極化子,形成的小極化子顯著降低了電子遷移率,引起PtTe2薄膜的太赫茲波吸收率降低,進而導致負光導現象的出現;最後,伴隨著極化子的消失,體系最終恢復到平衡態。隨著泵浦能量的新增,負光導效應越明顯。這是由於光激發所產生的更多熱電子會被聲子束縛住,導致光導進一步降低,這也佐證了極化子模型的合理性。該工作為第二類Dirac半金屬的光生載流子動力學研究提供了新的思路,所觀察到的太赫茲負光導效應有可能被利用來設計新的常溫太赫茲光電器件。

相關研究成果以《Observation of Negative THz Photoconductivity in Large Area Type-ⅡDirac Semimetal PtTe2》為題於2021年6月4日發表在物理學旗艦刊物《物理評論快報》(Physical Review Letters 126,227402(2021))上(https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.227402),並入選“編輯推薦”論文。上海大學博士生索鵬、山東科技大學張會雲教授、本院博士生閆勝楠為論文的共同第一作者,本院梁世軍副教授和上海大學物理系馬國宏教授為共同通訊作者,本院參與該工作的還包括繆峰教授和博士後郝松博士。該工作得到了國家傑出青年科學基金、國家自然科學基金等項目的資助,以及微結構科學與科技協同創新中心的支持。

圖1.(a)PtTe2的晶格結構示意圖。(b)OPTP量測科技示意圖(c)室溫下,7.8 nm厚PtTe2在785 nm可見光的激發光下,太赫茲波透射率的瞬態動力學演化過程,插圖為在短時間掃描視窗內太赫茲波透射率的瞬態回應。(d)不同可見光泵浦能量密度後,太赫茲波透射率的瞬態演化規律,插圖為不同泵浦探測時間間隔(0和3 ps)的太赫茲響應隨著泵浦能量密度的變化關係。

論文連結:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.227402

繆峰團隊主頁:

https://nano.nju.edu.cn/

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