中科院上海科技物理研究所,|,基於Ⅱ型狄拉克精准調控的高性能太赫茲光電器件取得進展

隨著電晶體科技和工藝的發展,人們對光電探測器也提出了更高的要求,尤其是處於光子學和電子學過渡區域的太赫茲輻射探測,如引力波探測、大氣演化、軍事雷達等等,引起了極大關注。在這項工作中,研究團隊通過室溫下的光電表徵與電子結構表徵,發現第二類狄拉克費米子太赫茲异常增强現象。

近日,中國科學院上海科技物理研究所研究人員與南京大學、復旦大學、東華大學、中國科學技術大學及上海科技大學的相關團隊通力合作,提出了原子尺度上精細調控Ⅱ型狄拉克半金屬的新方法,該研究成果以“Colossal Terahertz Photoresponse at Room Temperature: A Signature of Type-II Dirac Fermiology”(DOI:10.1021/acsnano.0c10304)為題發表在《美國化學學會-納米》(ACS Nano)雜誌。

縱觀歷史發展規律,每一次科技時代的變革都離不開製造技術的創新。工業生產過程中的覈心是製造,當電晶體工藝製造加工從微米、納米向著當前最具代表性的原子尺度邁進時,製造技術將可能直面以量子行為主導的變革性路線—原子製造。隨著電晶體科技和工藝的發展,人們對光電探測器也提出了更高的要求,尤其是處於光子學和電子學過渡區域的太赫茲輻射探測,如引力波探測、大氣演化、軍事雷達等等,引起了極大關注。近年來,狄拉克(Dirac)半金屬資料的發現激發了人們尋找奇异量子行為的潜在用途,例如非線性霍爾效應、非線性光學等,狄拉克點處的費米子擁有有效質量為零、良好導電性和運動受拓撲學保護等特點,這為操縱與非平凡帶拓撲相關的光電器件的效能帶來了希望。

在這項工作中,研究團隊通過室溫下的光電表徵與電子結構表徵,發現第二類狄拉克費米子太赫茲异常增强現象。通過Pt原子的引入來構築狄拉克錐的對稱性,可以推導出狄拉克點幾乎完全位於費米能級的情况下,如圖1所示,具有極大的室溫光導增强,有望實現器件效能的大幅提升。實驗結果與應用於拓撲資料的最可靠的方法角分辨光電子能譜(ARPES)高度一致,並且狄拉克半金屬範德華異質結具有較好的抑制熱攪動雜訊和快速回應、低功耗的效能,表明在原子層面構築新資料、新器件的新途徑。本工作為探索拓撲半金屬開闢了一條新途徑,並為低能量長波探測科技在成像、生物醫學傳感和下一代通信領域的定向應用開闢了可行性。

王林研究員、陳剛研究員、陳效雙研究員和宋鳳麒教授為文章共同通訊作者,博士研究生徐煌、費付聰和陳支慶子為文章的共同第一作者。

圖1.資料能帶變化及器件原理和效能

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