上海技術物理研究所陳效雙、陸衛團隊Adv. Funct. Mater.: 拓撲絕緣體高靈敏室溫太赫茲探測

【引言】

太赫茲輻射的波長介于可見和微波之間，能量范圍與分子的振動能和轉動能相匹配，為物質材料的表征和操控提供了很大的自由空間，但是人眼無法直接觀察，該電磁波被太赫茲探測器件接收后，經過光電轉換，便可轉化為人眼可觀察的圖像，在遙感成像、時域光譜、非線性科學等方面有著巨大的應用價值。傳統的長波探測器主要基于碲鎘汞、量子阱材料、II類超晶格等，雖然它們具有優異的光電探測性能，但是材料制備困難，需要在極低溫下工作，探測成本高。如何實現高響應率快速的太赫茲探測是太赫茲科學技術領域需要關注的問題。

拓撲絕緣體的量子輸運是近年來國際上研究前沿的一個熱點，在眾多拓撲絕緣體中，Bi2Se3是拓撲絕緣體材料中一個重要的三維拓撲絕緣體，其具有類似于石墨烯的表面電子態，然而關于拓撲絕緣體主要局限于極低溫的量子自旋霍爾效應的物理研究，然而材料實際應用卻面臨著巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，中科院上海技術物理研究所陸衛、陳效雙研究員課題組及成員王林副研究員與意大利拉奎拉大學Antonio Politano教授合作，設計了微納天線集成拓撲絕緣體的太赫茲探測器件，其可以實現快速高響應的室溫太赫茲探測，響應率可高于10A/W。目前大多數基于拓撲絕緣體主要受限于表面高的暗電流，且只能通過可見光圓偏振光子且通過聚焦產生自旋極化形成電流，因此限制了拓撲絕緣體的光電應用。研究人員們通過實驗發現在太赫茲波段下拓撲絕緣體具有非常規的行為，無需經過自旋極化的誘導只通過太赫茲電矢量的周期變化就可實現直接探測，主要來源于表面態的Photogalvanic效應，且材料在常溫下表現出極好的穩定性和可重復性。在太赫茲波的輻射下，表面態的狄拉克電子與晶格發生不對稱性散射，在無偏壓條件下就可實現光伏響應，深度表明基于電子態對稱性調控可產生不同于傳統探測探測的新模式，有望突破現有器件的頻率、溫度等瓶頸問題，同時這種特有的性質為拓撲絕緣體在太赫茲波段的應用提供了新的思路。相關工作以“Ultrasensitive Room-Temperature Terahertz Direct Detection Based on a Bismuth Selenide Topological Insulator”為題，在線發表在Adv. Funct. Mater. 31, 1801786 (2018）[?https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801786]?上，并被選為封面報道。

【圖文導讀】

圖1. 基于Photogalvanic效應的太赫茲探測機理及性能

（a）基于Photogalvanic效應實現太赫茲探測的三維機理圖；

（b）Photogalvanic效應的微觀模型以及產生的光伏效應與入射太赫茲波偏振的關系；

（c）不同外加偏壓下0.12 THz的光電流響應；

（d）光伏條件下，該太赫茲器件的時間響應；

圖2. 外加偏壓模式下，可見泵浦該太赫茲探測器件光響應

（a）器件測試示意圖；

（b）在不同功率近紅外光的激勵下，太赫茲的光響應；

（c）三維拓撲絕緣體Bi₂Se₃的能帶結構，其中向上的箭頭和向下的箭頭分別代表電子的自旋向上和自旋向下；

（d）太赫茲的光響應隨入射紅外光偏振的關系；

【小結】

在這個工作中，研究員們設計了一種微納天線集成拓撲絕緣體的太赫茲探測器，在太赫茲輻射的作用下，表面態的電子與晶格發生不對稱性散射，實現了室溫下快速高響應率的太赫茲探測。通過近紅外泵浦該太赫茲探測器件，可進一步確認該響應來自于表面態。拓撲絕緣體由于其豐富的表面態，在未來新奇物理現象的探索、新原理納電子器件、自旋電子器件、自容錯的拓撲量子計算等方面有著重要的應用前景。

文章鏈接：Ultrasensitive Room-Temperature Terahertz Direct Detection Based on a Bismuth Selenide Topological Insulator?（Adv. Funct. Mater. 31, 1801786 (2018)）

本文由王林供稿。

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