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上海技物所在拓撲量子體系長波室溫新機理太赫茲探測研究取得進展

MEMS ? 來源:MEMS ? 2020-09-26 10:43 ? 次閱讀
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據麥姆斯咨詢報道,近日,上海技物所王林、陳效雙和陸衛研究員團隊與意大利拉奎拉大學Antonio Politano教授團隊和南京大學萬賢綱教授團隊合作,提出了C3V反演結構特征的第二類狄拉克半金屬材料(Type-II Dirac Semimetal)太赫茲(THz)探測結構,揭示由本征對稱性破缺導致的室溫太赫茲頻率電磁轉換現象,并實現了基于該材料的偏振、高性能成像演示功能,相關結果以“Anisotropic ultrasensitive PdTe2-based phototransistor for room-temperature long-wavelength detection”為題發表于《科學進展》(Science Advances)雜志,論文鏈接為:https://advances.sciencemag.org/content/6/36/eabb6500。

隨著信息時代的快速發展,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的重要信息載體。傳統光電器件依賴于窄帶隙半導體或能帶工程(金屬、半導體、絕緣體)的發展,在低能光子頻帶存在性能指數下降的趨勢,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造特定的輸運或光電子特性,以期改變傳統依賴于單粒子激發的能帶探測模式帶來的瓶頸。

研究人員將具有原子薄層結構的拓撲半金屬PdTe2有效集成到天線耦合結構中,PdTe2具有原子堆疊的拓撲對稱性加上其強自旋-軌道耦合形成的傾斜狄拉克錐,使得該材料具有各項異性半閉合的費米面以及大的THz吸收系數(圖1b)。研究人員還研究發現Cr-PdTe2界面電荷轉移形成界面態,通過金屬log天線(圖1d, 1e)耦合的共同作用(synergistic effect)對PdTe2表面電子產生周期性的驅動震蕩(圖1f)。由于空間反演的破壞(如內建電場圖1c),震蕩的電子在晶格C3V旋轉勢的作用下產生不可抵消的橫向電流(圖1f所示)和高頻電磁整流效應,可以在寬的電磁頻率范圍內實現高性能探測與成像。

圖1.a:Type-II狄拉克拓撲半金屬碲化鈀(PdTe2)的晶體結構;b:費米面的電子-空穴費米包結構;c:內建電場誘導的對稱性破壞;d、e:Log天線集成結構產生周期性局部電子震蕩;f:形成橫向凈電流。

研究人員還通過環形電極耦合的偏振探測實驗,驗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聯(圖2a),實驗獲得了2pW/Hz0.5的探測靈敏度與快速響應,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。

圖2. a:基于環形天線電極探針的材料表面光電流分布滿足C3V旋轉規律;b:器件在0.14 THz和0.3 THz下的透射成像效果。

博士生郭程為該論文的第一作者,王林啟明星研究員、陳效雙研究員和Antonio Politano教授為該文章的通訊作者,南京大學萬賢綱教授研究組、胡亦斌研究員給予了相關的理論支持。該研究工作也同時得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、上海市科委計劃項目以及上海技物所啟明星研究員計劃的項目支持。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
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原文標題:上海技物所在拓撲量子體系長波室溫新機理太赫茲探測研究取得進展

文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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