Small:国内首个基于新型拓扑半金属材料PtTe2的高性能太赫兹成像探测器

在过去的几年中,二维材料如石墨烯、黑磷、氮化硼和二硫化钼及其异质结构已经被广泛应用于各种光学和电学系统,展现出新奇的光电性能,为实现光电子器件宽范围的电磁波谱范围内工作开辟了新的可能性。到目前为止,基于石墨烯和相关材料的众多特性,人们在二维量子材料家族工作中投入了大量精力来开发能够探测更长的波长的光电探测器。但是,由于材料在暗电流、载流子迁移率和带隙特性等方面的不足,令这些探测器的探测波长主要局限在短波红外至可见范围内。对于较长波长的光探测,需要降低温度来抑制噪声,使其不受固有的较大的暗电流或相邻能级之间的热诱导跃迁的影响实现长波探测。与其它电磁辐射频段相比,由于太赫兹频段是介于电子和光子学之间的最不发达的频段之一,因此开发太赫兹频段的探测器尤其具有吸引力。太赫兹波段的光子具有一系列的优势,因为它可以穿透大多数非金属材料在红外频率,否则不透明,也非电离和相应的旋转的特征频率和振动光谱在生物医学分子,使医学领域的广泛应用,安全和质量检测。因此,探索具有电输运、光相互作用等迷人特性的材料对解决上述问题具有特别的吸引力。另一方面,二维过渡金属硫属化合物(TMDCs)如PdTe2、PtTe2和PtSe2最近被发现作为拓扑半金属具有特殊的带结构,如ii型狄拉克锥。在没有洛伦兹不变性的情况下,当时间反转或反转对称性被破坏时,也可以实现II型外尔费米子,并表现出手性异常、反常热电效应或量子化光电效应等与手性有关的奇异的输运现象。由于弱范德华(vdW)键合,层状II型狄拉克半金属可以与其他二维材料进一步集成,形成具有各个部分组合特性的vdW异质结构,为探索新型光电器件提供了有效途径。

中国科学院上海技术物理研究所陈效双、陆卫课题组成员王林、陈刚等人利用新型拓扑狄拉克半金属碲化铂(PtTe2)的二维薄片实现可在太赫兹(THz)范围内工作的平面探测器。为了增强太赫兹波毫米波的吸收,将具有亚波长间隙的蝶形天线与探测材料接触形成沟道。利用这种简单的结构,当THz波与倾斜的能带耦合时,由于非平衡载流子的扩散,可以产生自供电的光电流,并且在小偏置的情况下,可以使响应率提高几个数量级。即使在偏置为零的情况下,狄拉克锥的耦合磁单极子之间的非对称激发也会发生,这要优于石墨烯的不对称激发。在零偏置电压下,基于PtTe2 的THz探测器在0.12 THz时的响应率可达1.6 A·W-1以上,远远高于石墨烯基探测器。此外,PtTe2与石墨烯的异质结集成验证作为一种有效的工具,使自供电的方式响应率的500 V·W-1以上,器件的响应时间也都能够达到10μs左右。基于PtTe2探测器的快速的响应时间及高响应率性能成功地实现对隐蔽金属的二维透射成像,表明探测器达到商用的灵敏度要求。此研究对拓扑半金属材料PtTe2在THz探测领域进行揭露,也表明拓扑半金属体系在太赫兹探测领域还有很大潜力有待挖掘。相关成果发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201903362)上。