近日，中科院上海技術(shù)物理研究所王林、陳效雙和陸衛(wèi)研究員團(tuán)隊(duì)與意大利拉奎拉大學(xué)Antonio Politano教授團(tuán)隊(duì)和南京大學(xué)萬賢綱教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了C_3V反演結(jié)構(gòu)特征的第二類狄拉克半金屬材料(Type-II Dirac Semimetal)太赫茲探測結(jié)構(gòu)，揭示由本征對稱性破缺導(dǎo)致的室溫太赫茲頻率電磁轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)了基于該材料的偏振、高性能成像演示功能，相關(guān)結(jié)果以“Anisotropic ultrasensitive PdTe₂-based phototransistor for room-temperature long-wavelength detection”為題發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志。

隨著信息時代的快速發(fā)展，利用低能光子頻帶（0.1~10THz，terahertz gap）范圍工作的微型器件成為新一代無線通訊、智慧城市及安全體系建設(shè)的重要信息載體。傳統(tǒng)光電器件依賴于窄帶隙半導(dǎo)體或能帶工程（金屬、半導(dǎo)體、絕緣體）的發(fā)展，在低能光子頻帶存在性能指數(shù)下降的趨勢，需要深低溫來抑制噪聲以獲得足夠的靈敏度，面臨著本征極限問題。因此，人們嘗試從微觀原子尺度操控來構(gòu)造特定的輸運(yùn)或光電子特性，以期改變傳統(tǒng)依賴于單粒子激發(fā)的能帶探測模式帶來的瓶頸。

研究人員將具有原子薄層結(jié)構(gòu)的拓?fù)浒虢饘貾dTe₂有效集成到天線耦合結(jié)構(gòu)中，PdTe₂具有原子堆疊的拓?fù)鋵ΨQ性加上其強(qiáng)自旋-軌道耦合形成的傾斜狄拉克錐，使得該材料具有各項(xiàng)異性半閉合的費(fèi)米面以及大的THz吸收系數(shù)（圖1b）。研究人員還研究發(fā)現(xiàn)Cr-PdTe₂界面電荷轉(zhuǎn)移形成界面態(tài)，通過金屬log天線（圖1d, 1e）耦合的共同作用（synergistic effect）對PdTe₂表面電子產(chǎn)生周期性的驅(qū)動震蕩（圖1f）。由于空間反演的破壞（如內(nèi)建電場圖1c)，震蕩的電子在晶格C_3v旋轉(zhuǎn)勢的作用下產(chǎn)生不可抵消的橫向電流(圖1f所示)和高頻電磁整流效應(yīng)，可以在寬的電磁頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能探測與成像。

研究人員還通過環(huán)形電極耦合的偏振探測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了表面光電流極性分布滿足C_3v非平衡散射及晶格對稱性關(guān)聯(lián)(圖2a)，實(shí)驗(yàn)獲得了2pW/Hz^0.5的探測靈敏度與快速響應(yīng)，表明半金屬材料的奇異行為可能在長波光子探測中帶來新變革。

博士生郭程為該論文的第一作者，王林啟明星研究員、陳效雙研究員和Antonio Politano教授為該文章的通訊作者，南京大學(xué)萬賢綱教授研究組、胡亦斌研究員給予了相關(guān)的理論支持。該研究工作也同時得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、上海市科委計(jì)劃項(xiàng)目以及上海技物所啟明星研究員計(jì)劃的項(xiàng)目支持。

圖1.a：Type-II狄拉克拓?fù)浒虢饘夙诨Z(PdTe₂)的晶體結(jié)構(gòu)；b：費(fèi)米面的電子-空穴費(fèi)米包結(jié)構(gòu)；c：內(nèi)建電場誘導(dǎo)的對稱性破壞；d、e：Log天線集成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性局部電子震蕩；f：形成橫向凈電流。

圖2. a：基于環(huán)形天線電極探針的材料表面光電流分布滿足C_3v旋轉(zhuǎn)規(guī)律；b：器件在0.14THz和0.3THz下的透射成像效果。