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孙栋及合作者展望拓扑光电探测:基于半金属的高性能光电探测
发布日期:2020-07-06浏览次数:

近日,北京大学量子材料科学中心的孙栋教授和合作者,天津大学刘晶教授,美国耶鲁大学的Fengnian Xia教授,卡纳基梅隆大学的Di Xiao教授和西班牙巴塞罗那科学与技术学院的F. Javier García de Abajo教授在《自然-材料》(Nature Materials)上发表题为“Semimetals for high-performance photodetection”的前瞻性(Perspective)文章,展望了拓扑光电探测这个新兴领域的未来发展的方向。

高性能的光电探测器广泛应用于人们的日常生活,是各种电子设备的“眼睛”。可见光和近红外光电探测器因为成熟的第一代和第二代半导体材料和器件工艺已经在我们的日常生活中随处可见,成为各个领域不可或缺的关键器件。而探测更长波长的中远红外和太赫兹波段的光电探测器却因为材料和工艺方面的局限,存在多个难以攻克的技术瓶颈,例如高昂的制造成本,低密度的集成,以及需要制冷来降低暗噪声从而获得足够的灵敏度。如何实现室温下工作的高性能长波探测器困扰了光电探测领域几十年时间,一直是科研领域关注的重要研究方向之一,因为这类探测器在精确运动感应,夜视,遥感,无损检测等诸多关键应用领域有着不可替代的应用,而国外又长期对我国封锁长波焦平面探测面阵。

图一:半导体vs.半金属光电探测。a.偏置条件下的半导体PIN探测器,只有当光子能量大于带隙时光子可以被吸收并被探测到。b.半导体材料中光生载流子的产生和复合。典型的电子空穴复合时间在纳秒量级。c.基于半金属的无偏置插指电极探测器。因为没有带隙,对于吸收和探测光的波长没有限制。D.半金属材料中光生载流子的产生和复合。因为可以通过电子电子散射复合,典型的复合时间在皮秒量级。

目前中长波光电探测的技术瓶颈受困于半导体材料的固有局限,对于低能量光子的探测依赖于窄带隙半导体材料,而带隙的减小带来了室温下暗噪声的困扰。近十年来,科研人员尝试使用半金属材料,替代窄带半导体材料用于中长波的光电探测,在低能耗,宽谱,高速响应等诸多方面展示了半导体材料无可比拟的优势,但是基于半金属材料的光电探测器为了避免暗电流需要在无偏置条件下工作,一直存在响应度低的关键性能缺陷,限制了其进一步的发展。

孙栋课题组一直致力于该方向的研究,并在近些年通过将拓扑半金属材料引入光电探测领域(Nano Letters 17, 834,2017; Advanced Materials 30, 1707152,2018; ACS Nano 12,4055,2018),并应用拓扑效应解决了一些半金属光电探测的关键问题,尤其是通过外尔半金属中贝里曲率对位移电流的增强效应有效地解决了无偏置下的电荷分离问题,从而大大提高了探测器的响应度(Nature Materials, 18,476, 2019; Nature Communications 10,5736, 2019)。这些工作为基于拓扑半金属的光电探测器打开了全新的可能。

在这篇刚发表在自然材料的展望文章中,孙栋和合作者分析探讨了半导体材料和半金属材料作为光电探测材料的优势和局限,总结了过去十多年时间里,基于半金属材料的光电探测方面取得的进展并重点论述了仍待解决的关键问题及其背后的物理原因。文章的重点是论述通过引入拓扑半金属材料和拓扑效应到光电探测对中长波光电探测器领域可能带来的改变,详细分析了拓扑光电探测领域在去年取得关键突破之后,未来需要解决的关键问题和难点,并展望了未来在新材料,新器件结构中利用特殊的拓扑效应来解决这些问题的技术路径,为“拓扑光电探测”这个领域的未来研究工作描绘了的充满希望的发展前景。

图二:基于半金属的光电探测器未来发展机遇。利用新的拓扑材料,设备结构,拓扑效应和量子自由度(从左到右,从上到下)进一步的提升基于半金属的光电探测器的性能。每个面板中均列出了可能的样例,其中一些样例放置在两个面板的边界以表示联合可能性。

该展望文章于2020年7月6日在线发表在Nature Materials (https://www.nature.com/articles/s41563-020-0715-7DIO:10.1038/s41563-020-0715-7)。这项工作得到了北京市杰出青年基金和国家自然科学基金委的资助。