科學研究
            科研成果
            孫棟及合作者展望拓撲光電探測:基于半金屬的高性能光電探測
            發布日期:2020-07-06瀏覽次數:

            近日,北京大學量子材料科學中心的孫棟教授和合作者,天津大學劉晶教授,美國耶魯大學的Fengnian Xia教授,卡納基梅隆大學的Di Xiao教授和西班牙巴塞羅那科學與技術學院的F. Javier García de Abajo教授在《自然-材料》(Nature Materials)上發表題為“Semimetals for high-performance photodetection”的前瞻性(Perspective)文章,展望了拓撲光電探測這個新興領域的未來發展的方向。

            高性能的光電探測器廣泛應用于人們的日常生活,是各種電子設備的“眼睛”??梢姽夂徒t外光電探測器因為成熟的第一代和第二代半導體材料和器件工藝已經在我們的日常生活中隨處可見,成為各個領域不可或缺的關鍵器件。而探測更長波長的中遠紅外和太赫茲波段的光電探測器卻因為材料和工藝方面的局限,存在多個難以攻克的技術瓶頸,例如高昂的制造成本,低密度的集成,以及需要制冷來降低暗噪聲從而獲得足夠的靈敏度。如何實現室溫下工作的高性能長波探測器困擾了光電探測領域幾十年時間,一直是科研領域關注的重要研究方向之一,因為這類探測器在精確運動感應,夜視,遙感,無損檢測等諸多關鍵應用領域有著不可替代的應用,而國外又長期對我國封鎖長波焦平面探測面陣。

            圖一:半導體vs.半金屬光電探測。a.偏置條件下的半導體PIN探測器,只有當光子能量大于帶隙時光子可以被吸收并被探測到。b.半導體材料中光生載流子的產生和復合。典型的電子空穴復合時間在納秒量級。c.基于半金屬的無偏置插指電極探測器。因為沒有帶隙,對于吸收和探測光的波長沒有限制。D.半金屬材料中光生載流子的產生和復合。因為可以通過電子電子散射復合,典型的復合時間在皮秒量級。

            目前中長波光電探測的技術瓶頸受困于半導體材料的固有局限,對于低能量光子的探測依賴于窄帶隙半導體材料,而帶隙的減小帶來了室溫下暗噪聲的困擾。近十年來,科研人員嘗試使用半金屬材料,替代窄帶半導體材料用于中長波的光電探測,在低能耗,寬譜,高速響應等諸多方面展示了半導體材料無可比擬的優勢,但是基于半金屬材料的光電探測器為了避免暗電流需要在無偏置條件下工作,一直存在響應度低的關鍵性能缺陷,限制了其進一步的發展。

            孫棟課題組一直致力于該方向的研究,并在近些年通過將拓撲半金屬材料引入光電探測領域(Nano Letters 17, 834,2017; Advanced Materials 30, 1707152,2018; ACS Nano 12,4055,2018),并應用拓撲效應解決了一些半金屬光電探測的關鍵問題,尤其是通過外爾半金屬中貝里曲率對位移電流的增強效應有效地解決了無偏置下的電荷分離問題,從而大大提高了探測器的響應度(Nature Materials, 18,476, 2019; Nature Communications 10,5736, 2019)。這些工作為基于拓撲半金屬的光電探測器打開了全新的可能。

            在這篇剛發表在自然材料的展望文章中,孫棟和合作者分析探討了半導體材料和半金屬材料作為光電探測材料的優勢和局限,總結了過去十多年時間里,基于半金屬材料的光電探測方面取得的進展并重點論述了仍待解決的關鍵問題及其背后的物理原因。文章的重點是論述通過引入拓撲半金屬材料和拓撲效應到光電探測對中長波光電探測器領域可能帶來的改變,詳細分析了拓撲光電探測領域在去年取得關鍵突破之后,未來需要解決的關鍵問題和難點,并展望了未來在新材料,新器件結構中利用特殊的拓撲效應來解決這些問題的技術路徑,為“拓撲光電探測”這個領域的未來研究工作描繪了的充滿希望的發展前景。

            圖二:基于半金屬的光電探測器未來發展機遇。利用新的拓撲材料,設備結構,拓撲效應和量子自由度(從左到右,從上到下)進一步的提升基于半金屬的光電探測器的性能。每個面板中均列出了可能的樣例,其中一些樣例放置在兩個面板的邊界以表示聯合可能性。

            該展望文章于2020年7月6日在線發表在Nature Materials (https://www.nature.com/articles/s41563-020-0715-7DIO:10.1038/s41563-020-0715-7)。這項工作得到了北京市杰出青年基金和國家自然科學基金委的資助。

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