【中國(guó)儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心王楠林研究組的吳東博士及合作者在二維電荷密度波(CDW)材料1T-TaS2中發(fā)現(xiàn)室溫下超寬光譜的光電響應(yīng)現(xiàn)象。他們研究了室溫下處在近公度CDW狀態(tài)的1T-TaS2材料系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外加偏壓(電場(chǎng))接近CDW滑移的閾值附近時(shí)，材料對(duì)從可見(jiàn)光到太赫茲寬廣能量區(qū)間的光輻照變得非常敏感。這一發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)非制冷、超寬帶(包含太赫茲波段)和靈敏的光電探測(cè)研究開(kāi)辟了一條新的途徑。該工作以研究長(zhǎng)文(Research Article)形式發(fā)表于近期的Science子刊上：Science Advances, aao3057 (2018)。吳東、王楠林是該工作的共同通訊作者。

 

 

圖. 1T-TaS2 超寬光譜光電響應(yīng)特性。A. 光照對(duì)I-V曲線的影響。B. 光電流的開(kāi)關(guān)效應(yīng)。C. 不同偏壓下，器件在λ=1550 nm輻照的光電流響應(yīng)。D. 閾值電壓附近，不同波段的光響應(yīng)度(R)的大小。

 

　　將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能力在光子學(xué)領(lǐng)域極為重要。這種效應(yīng)在成像、通訊、量子信息以至到空間科學(xué)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。但是，基于同一器件的超寬光譜，特別是包含遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段的光電探測(cè)一直是這一領(lǐng)域的難點(diǎn)。受電子能帶結(jié)構(gòu)的限制，傳統(tǒng)半導(dǎo)體對(duì)小于其能隙能量的光無(wú)法直接響應(yīng)。例如硅基光電探測(cè)器，通過(guò)單粒子激發(fā)穿過(guò)帶隙(~1.1 eV)來(lái)實(shí)現(xiàn)光響應(yīng)，因此對(duì)于低于其帶隙能量的光譜如遠(yuǎn)紅外和太赫茲是透明的。另一方面，對(duì)于普通金屬，雖然其帶隙為零，但由于存在大量的自由載流子，往往直接屏蔽了可能發(fā)生的光激發(fā)信號(hào)，從而不適合作為光電探測(cè)器材料。一般金屬和半導(dǎo)體的電子激發(fā)屬于單粒子激發(fā)范疇。
 

　　與普通金屬和半導(dǎo)體不同，一些特殊物態(tài)如超導(dǎo)和電荷密度波不僅有單粒子激發(fā)同時(shí)還存在集體激發(fā)模式。電荷密度波是固體中研究最多的集體凝聚現(xiàn)象之一，物理上具有兩種不同的集體激發(fā)模式，即振幅模式(Amplitude mode)和相位模式(Phase mode)。振幅激發(fā)表現(xiàn)為電荷密度的縱向振動(dòng)(CDW振幅的變化)，類(lèi)似于光學(xué)支聲子的激發(fā)，不會(huì)對(duì)電荷輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生直接影響。而相位激發(fā)模式對(duì)應(yīng)于CDW整體的平移，對(duì)應(yīng)于電荷的流動(dòng)。在沒(méi)有任何缺陷或雜質(zhì)存在的理想情況，這一平移運(yùn)動(dòng)不受阻礙，應(yīng)具有零電阻特性。在實(shí)際材料中，由于雜質(zhì)、缺陷的自然存在，CDW被釘扎在有限的頻率上從而具有有限的電阻。但當(dāng)施加電場(chǎng)超過(guò)相位激發(fā)模式的閾值時(shí)，電荷密度波材料則會(huì)出現(xiàn)顯著的非線性電流電壓行為，表現(xiàn)為電阻的急劇下降，通常稱(chēng)為CDW的滑移。
 

　　1T-TaS2是具有代表性的二維CDW材料。電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及電聲子相互作用使得這一體系存在豐富的物相結(jié)構(gòu)。隨著溫度降低，其先后經(jīng)歷從簡(jiǎn)單金屬到非公度-CDW相(相變溫度~550K)，近公度-CDW相(相變溫度~350K)，最終進(jìn)入公度-CDW絕緣相(<183K)。1T-TaS2電學(xué)性質(zhì)對(duì)外加電場(chǎng)呈現(xiàn)顯著的非線性依賴(lài)關(guān)系。吳東等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外加偏壓小于導(dǎo)致電荷密度波滑移的閾值時(shí)，如果外加光激發(fā)，則會(huì)導(dǎo)致電阻態(tài)的變化，即提前誘導(dǎo)了phase mode的滑移。與此對(duì)應(yīng)，相當(dāng)于有一個(gè)巨大的光電響應(yīng)效應(yīng)，并且在從紫外到太赫茲的寬廣能量范圍都存在，該效應(yīng)可用于制造寬廣能量區(qū)域的光電響應(yīng)探測(cè)器件。
 

　　天津理工大學(xué)馬永昌教授、清華大學(xué)趙自然教授研究組和量子材料科學(xué)中心危健研究組參與了該項(xiàng)工作的合作研究。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃及“2011計(jì)劃”量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。