Science Advances：室溫下從可見光到太赫茲的超寬帶光敏度

【前言】

光轉換為電信號的能力在光子學領域極為重要。這種效應在成像，通訊，量子信息以致到空間科學領域都有廣泛的應用。但是在寬光譜范圍內對應光的高靈敏度，特別是在室溫下（RT）頻率降到太赫茲(THz)，是特別罕見但值得稱贊的。傳統半導體，例如硅，通過單個顆粒激發穿過帶隙來得到光響應并且對于低于帶隙的能量對THz光子是透明的。另一方面，金屬或者具有非常窄帶隙的半導體的光響應特性受到自由載流子屏蔽和快速猝滅效應的嚴重影響，尤其是在高溫下。相反，具有收集電子態的固體能夠以整體方式產生電子響應，其行為與單粒子激發完全不同。

電荷密度波( CDW )是固體中研究最多的集體電子態之一。與僅存在單粒子激發的普通金屬不同，CDW材料也具有被稱為振幅模式和相位模式的集體激發。振幅激發表現為光學聲子，預計不會對電輸運性質產生直接影響，而相位激發對應于CDW凝聚體的平移運動，并會對電荷輸運性質產生顯著影響。相位模式通常固定在有限的頻率上。

【成果簡介】

近日，來自北京大學的Dong Wu與王楠林教授（通訊作者）在Science Advances上發表文章，題為：Ultrabroadband photosensitivity from visible to terahertz at room temperature。作者表明，1T - TaS₂的CDW系統對直接從可見光到太赫茲的光非常敏感，室溫下電流響應率約為~1 AW^?1。作者的發現為實現非制冷、超寬帶和靈敏的光電子連續下降到太赫茲光譜范圍開辟了一條新的途徑。

【圖文導讀】

圖1. 1T-TaS₂ RT NC-CDW相以及它的電子特性

(A) 層狀結構示意圖；

(B) 四探針電阻率與溫度循環的關系；

(C) 用于光響應表征的雙端器件示意圖；

(D) 在室溫下，在電壓掃描上升和下降模式下測量的雙端器件在黑暗下的I - V曲線；

圖2. 在光照下的吸收光譜和電響應

(A) 1T-TaS₂晶體樣品新切割表面的面內光吸收光譜；

(B) 電壓掃描模式下器件直流電流的光響應；

(C) 閾值電壓VT隨入射光強度線性變化；

(D) 外加偏置0.71 V (左)和0.73 V (右)的電流切換效果，偏置值在( B )中標記為藍色圓圈；

圖3. 超寬帶光響應

(A) 在初始暗態閾值下的應用電壓值為1550 nm的電流響應；

(B) 在偏壓0.72V下超寬帶光響應測試；

圖4. ?通過脈沖激發研究時間光響應

(A) 上升和下降沿顯示快速和慢速組件；

(B) 上升沿快速部件和短保持力的近距離觀察；

【總結】

總而言之，作者已經證明了層狀2D CDW系統1T-TaS₂對室溫下的光非常敏感，具有從可見光到太赫茲光譜范圍的超寬帶光響應。揭示的特征與CDW狀態固有的集體電子動力學有著直接的關系，其結果可能遠遠超出1T-TaS₂材料的范圍。非致冷和超寬帶光響應的優勢使得這種2D硫屬化物對于從實驗和理論角度探索更有效的光電子，如新型存儲器件、光電探測器和光譜學非常有吸引力。

文獻鏈接：Ultrabroadband photosensitivity from visible to terahertz at room temperature, (Science Advances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aao3057)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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