上海技术物理研究所陈效双、陆卫团队Adv. Funct. Mater.: 拓扑绝缘体高灵敏室温太赫兹探测

【引言】

太赫兹辐射的波长介于可见和微波之间，能量范围与分子的振动能和转动能相匹配，为物质材料的表征和操控提供了很大的自由空间，但是人眼无法直接观察，该电磁波被太赫兹探测器件接收后，经过光电转换，便可转化为人眼可观察的图像，在遥感成像、时域光谱、非线性科学等方面有着巨大的应用价值。传统的长波探测器主要基于碲镉汞、量子阱材料、II类超晶格等，虽然它们具有优异的光电探测性能，但是材料制备困难，需要在极低温下工作，探测成本高。如何实现高响应率快速的太赫兹探测是太赫兹科学技术领域需要关注的问题。

拓扑绝缘体的量子输运是近年来国际上研究前沿的一个热点，在众多拓扑绝缘体中，Bi2Se3是拓扑绝缘体材料中一个重要的三维拓扑绝缘体，其具有类似于石墨烯的表面电子态，然而关于拓扑绝缘体主要局限于极低温的量子自旋霍尔效应的物理研究，然而材料实际应用却面临着巨大的挑战。

【成果简介】

近日，中科院上海技术物理研究所陆卫、陈效双研究员课题组及成员王林副研究员与意大利拉奎拉大学Antonio Politano教授合作，设计了微纳天线集成拓扑绝缘体的太赫兹探测器件，其可以实现快速高响应的室温太赫兹探测，响应率可高于10A/W。目前大多数基于拓扑绝缘体主要受限于表面高的暗电流，且只能通过可见光圆偏振光子且通过聚焦产生自旋极化形成电流，因此限制了拓扑绝缘体的光电应用。研究人员们通过实验发现在太赫兹波段下拓扑绝缘体具有非常规的行为，无需经过自旋极化的诱导只通过太赫兹电矢量的周期变化就可实现直接探测，主要来源于表面态的Photogalvanic效应，且材料在常温下表现出极好的稳定性和可重复性。在太赫兹波的辐射下，表面态的狄拉克电子与晶格发生不对称性散射，在无偏压条件下就可实现光伏响应，深度表明基于电子态对称性调控可产生不同于传统探测探测的新模式，有望突破现有器件的频率、温度等瓶颈问题，同时这种特有的性质为拓扑绝缘体在太赫兹波段的应用提供了新的思路。相关工作以“Ultrasensitive Room-Temperature Terahertz Direct Detection Based on a Bismuth Selenide Topological Insulator”为题，在线发表在Adv. Funct. Mater. 31, 1801786 (2018）[https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801786] 上，并被选为封面报道。

【图文导读】

图1. 基于Photogalvanic效应的太赫兹探测机理及性能

（a）基于Photogalvanic效应实现太赫兹探测的三维机理图；

（b）Photogalvanic效应的微观模型以及产生的光伏效应与入射太赫兹波偏振的关系；

（c）不同外加偏压下0.12 THz的光电流响应；

（d）光伏条件下，该太赫兹器件的时间响应；

图2. 外加偏压模式下，可见泵浦该太赫兹探测器件光响应

（a）器件测试示意图；

（b）在不同功率近红外光的激励下，太赫兹的光响应；

（c）三维拓扑绝缘体Bi₂Se₃的能带结构，其中向上的箭头和向下的箭头分别代表电子的自旋向上和自旋向下；

（d）太赫兹的光响应随入射红外光偏振的关系；

【小结】

在这个工作中，研究员们设计了一种微纳天线集成拓扑绝缘体的太赫兹探测器，在太赫兹辐射的作用下，表面态的电子与晶格发生不对称性散射，实现了室温下快速高响应率的太赫兹探测。通过近红外泵浦该太赫兹探测器件，可进一步确认该响应来自于表面态。拓扑绝缘体由于其丰富的表面态，在未来新奇物理现象的探索、新原理纳电子器件、自旋电子器件、自容错的拓扑量子计算等方面有着重要的应用前景。

文章链接：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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