基於硒化鉍拓撲絕緣體的超靈敏室溫太赫茲直接探測

毫米波和太赫茲光探測器具有巨大的應用潛力，但目前在探測方法上仍然面臨挑戰。拓撲絕緣體（TLs）由於具有拓撲保護的表面態的狄拉克費米子的存在，有望成為長波光探測的候選材料。近日，中國科學院上海技術物理研究所陳效雙教授課題組提出了一種基於亞波長的金屬-TL-金屬（MTM）結構的室溫下毫米波和太赫茲光子直接檢測的創新策略。在金屬-TL界面，利用亞波長金屬接觸將入射的長波光子轉換成局域的表面等離子體場，從而驅動拓撲表面態（TSS）來回運動。結果表明，原子厚度的Bi2Se3TLs薄片可以作為高靈敏度毫米波和太赫茲探測器的活性材料。並且通過理論和實驗證明了在毫米波和太赫茲波範圍內，由於局域表面等離子體激元（SPPs）的電磁場驅動的非中心對稱散射而產生的光電流效應在TSS傳導中的關鍵作用。

圖1a展示了所設計的MTM的結構，其中Bi2Se3薄片用作溝道中的活性材料。考慮到Bi2Se3塊體晶體的點群對稱性為D3v，其中包括反轉中心，而表面缺乏空間反轉，點群為C3v，這意味著TSS在電場作用下的各向異性散射，對交流電場產生直接光電流。因此，當器件受到毫米波和太赫茲輻照時，由於TSS和入射輻射的相互作用（自供電模式，見圖1c），對交流電場發生響應從而直接產生光電流。當沿光伏電勢的偏壓電場作用於該結構時，產生的光載流子被加速並有效地向金屬接觸端分離。因此，由於偏壓模式下的光電導增益較大，光電流增大（圖1d）。該納米器件使用優化的Bridgman-Stockbarger方法生長Bi2Se3，後通過機械剝離製備而成。樣品在環境大氣中顯示惰性，這意味著不需要覆蓋層來保護FET的有源通道。剝離後，使用顯微拉曼光譜測試Bi2Se3薄片，圖2b展示了40、72、132和175 cm-1處的四個特徵峰。原子力顯微鏡顯示，Bi2Se3薄片的典型厚度分布集中在90 nm左右（圖2c）。然後，在零偏壓下測量了Bi2Se3 MTM光電探測器的光響應，在0.12 THz，功率密度為0.525 mW cm-2的條件下測試了探測器的光開關特性，如圖2e所示。即使調製頻率超過1 kHz時，脈衝形狀也保持良好。所產生的直接光電流在電磁輻射的多個開關周期上表現出良好的再現性，證明了器件的穩定性。圖2f展示了器件的響應速度，通過擬合單指數函數，確定響應時間約為60 μs，比目前可用的室溫熱探測器快得多，後者通常以毫秒為單位。為了進一步了解器件的性能，又測量了對功率的依賴性，如圖2g所示。直接光電流的振幅與入射功率成正比，表明在所研究的範圍內光電效率幾乎恆定。在所有測量的動態範圍內，從圖2g中提取的響應度接近75 A W-1。該值高於先前報導的用於檢測近紅外輻射的其他層狀材料的值。

該探測器的工作原理可以用Bi2Se3中對稱保護的TSS的特性來解釋，如圖3a所示。圖3b示意性地描述了光電流的產生過程，其中，散射點被繪製為位於五層平面上的隨機分布但方向相同的楔形。在沒有太赫茲輻射的情況下，各向異性散射電子的流動被精確地相互補償。當太赫茲輻射作用於該系統時，由於Bi2Se3楔塊的非對稱散射，載流子的動量是一致的—電子被交流電場來回驅動，總電荷流不為零。因此，多餘的載流子會沿著電場單方面移動，破壞系統的平衡，而所謂的光電流可以在自供電模式下產生。如圖3b下方所示，光電流的方向取決於交流電場和楔形物的特定方向：例如，平行於楔形物底座（左下面板）的電場產生沿x方向流動的光電流，當電場旋轉90°時，電流方向反轉（右下面板）。除了光電流效應外，還應考慮光子拖拽效應，這通常是由光子動量轉移到帶電載流子引起的。另一方面，由於光子拖拽效應與光子動量成正比，而光電流僅由輻射電場的平面內分量決定，因此，一旦應用後照和前照，光電流不變，而光子拖動效應受到影響。利用時域有限差分法（FDTD）進行了數值模擬，以評估這兩種效應在結構中的權重。首先模擬了一個6 μm×6 μm×90 nm的單個裸Bi2Se3板，如圖3c、d、f、g所示，局域SPP出現在亞波長結構中，強度在Bi2Se3與空氣的兩個界面處最高。因此，與光電流效應相關的光電流密度相對於兩個界面呈現對稱分布，而與光子拖曳效應相關的光電流具有不對稱分布。如圖3e-h所示，通過覆蓋導體（Au），局域SPP強度變得更強，但感應電場分量的對稱性保持不變。因此，在蝶形亞波長MTM結構中，入射的電磁波可以轉換成局域的SPP場，從而實現長波光子與TSS之間的強相互作用。

為進一步研究偏壓模式下MTM光電探測器的光響應，通過在不同偏壓下周期性地打開和關閉0.12 THz的光進行時間分辨測量，如圖4a所示，使用高速示波器監測快速變化的光信號。儘管電偏壓高達50 mV，但仍保持高信噪比，這得益於較大的光電導增益。圖4b顯示了響應度（R）的依賴關係。與自供電模式的情況類似，當裝置在兩個金屬觸點之間的有限偏置電壓下工作時，也發現MTM檢測器的線性功率依賴性（圖4d）。為了進一步驗證Bi2Se3基MTM器件中與TSS相關的光響應特性，我們通過紅外光抽運探測TSS進行了附加實驗。如圖5a所示，在MTM器件的外偏壓固定在50 mV的情況下，將785 nm光束的連續光抽運均勻地引導到MTM器件上，以控制THz場下的載流子動力學。如圖5b所示，隨著雷射強度的增加，太赫茲光電流減弱。這種現象的微觀起源與Bi2Se3的特殊電子性質有關（圖5c）。

圖1. (a-d) MTM器件的結構及其工作原理。

圖2. (a-g) Bi2Se3的拉曼光譜及器件在零偏壓下的響應。

圖3. (a-j) MTM基探測器光電流效應微觀模型及數值模擬。

圖4. (a-e) 金屬接觸偏置模式下MTM探測器的特性研究。

圖5. (a-d) 偏置模式下MTM器件中TSS的太赫茲輻射紅外泵浦探測。

該工作探索並實驗驗證了TL基MTM探測太赫茲輻射的可行性。實驗結果表明，該探測器對自供電模式和偏置模式均具有較高的靈敏度和快速響應。所獲得的效率與TSS的特殊性質以及Bi2Se3中太赫茲場與TSS的亞波長相互作用有關。由於太赫茲光誘導TSS的光電流效應，獲得了良好的光電響應，高響應度約為75 A W-1。此外，響應時間低於60 μs使得這些納米器件適合於實時成像。該器件可與商用室溫熱檢測系統相競爭，且優化設備和工藝可進一步提高性能。這項工作為激活、探測和利用TSS設計新的太赫茲器件，如與超材料集成的替代結構，以便適當地調整器件的性能鋪平了道路，對於實現太赫茲光電領域的技術至關重要，特別是實現大面積、快速的成像應用。

相關論文：

Weiwei Tang, Antonio Politano, Cheng Guo, Wanlong Guo, Changlong Liu, Lin Wang,* XiaoshuangChen,* and Wei Lu, Ultrasensitive Room-Temperature Terahertz Direct Detection Based on a Bismuth Selenide Topological Insulator. Adv. Funct. Mater. 2018, 1801786.