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2020-12-08 天津大學新聞網

本站訊(通訊員 劉晶) 近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院微納測試課題組劉晶副教授以「天津大學精密測試技術與儀器國家重點實驗室，精密儀器與光電子工程學院」為第一單位，與合作者美國耶魯大學Fengnian Xia教授、美國卡耐基梅隆大學Di Xiao教授、西班牙巴塞隆納科學與技術學院F.Javier García de Abajo教授和北京大學孫棟教授，在國際刊物《自然-材料》（Nature Materials）上發表前瞻性文章，介紹基於半金屬拓撲材料的高性能中遠紅外光電探測的挑戰和機遇。

光電探測器是現代通信和傳感系統中重要的光電子器件，與我們的日常生活息息相關。在可見光和近紅外光波段，基於第一代和第二代半導體材料技術與工藝的商用光電探測器已經實現了高性能、高集成度和低廉的製造成本。目前，光電探測器的主要瓶頸在於探測中遠紅外波段的電磁輻射。雖然該波段的光電探測器在諸多關鍵應用領域有廣泛的應用，如自動駕駛、夜視儀、精確運動感應、遙感，無損檢測等等，但是現有的商用中遠紅外探測器要麼製造成本高，難以實現高集成度，需要在低溫下運行，要麼響應速度非常慢，難以滿足新湧現出來的應用需求，如高通量紅外光譜儀和高速成像系統等。

目前中長波光電探測的技術瓶頸主要受困於半導體材料的固有局限。中長波低能量光子的探測依賴於窄帶隙半導體材料，而帶隙的減小帶來了室溫下暗噪聲的困擾。近十年來，科研人員嘗試使用半金屬材料替代窄帶半導體材料用於中長波的光電探測，在低能耗，寬譜，高速響應等諸多方面展示了半導體材料無可比擬的優勢。但是基於半金屬材料的光電探測器為了避免暗電流需要在無偏置條件下工作，一直存在響應度低的關鍵性能缺陷，限制了其進一步發展。

圖一：半導體vs.半金屬光電探測。a. 偏置條件下的半導體PIN探測器，只有當光子能量大於帶隙時光子可以被吸收並被探測到。b.半導體材料中光生載流子的產生和複合。典型的電子空穴複合時間在納秒量級。c.基於半金屬的無偏置插指電極探測器。因為沒有帶隙，對於吸收和探測光的波長沒有限制。D. 半金屬材料中光生載流子的產生和複合。因為可以通過電子電子散射複合，典型的複合時間在皮秒量級。

開發高性能光電探測器一直是劉晶課題組的重要研究方向。近些年，該課題組將二維層狀納米半導體、半金屬材料應用於光電探測領域，並通過構建新型器件結構等方法，大大提高了探測器的響應度。這些工作為基於拓撲半金屬的光電探測器打下了基礎。在這篇剛發表在《自然-材料》的文章中，劉晶和合作者分析探討了半導體材料和半金屬材料作為光電探測材料的優勢和局限，總結了過去十多年時間裡，基於半金屬材料的光電探測方面取得的進展並重點論述了仍待解決的關鍵問題及其背後的物理原因。文章的重點是論述通過引入拓撲半金屬材料和拓撲效應到光電探測對中長波光電探測器領域可能帶來的改變，詳細分析了拓撲光電探測領域在去年取得關鍵突破之後，未來需要解決的關鍵問題和難點，並展望了未來在新材料，新器件結構中利用特殊的拓撲效應來解決這些問題的技術路徑，為「拓撲光電探測」這個領域的未來研究工作描繪了的充滿希望的發展前景。

圖二：基於半金屬的光電探測器未來發展機遇。利用新的拓撲材料，設備結構，拓撲效應和量子自由度（從左到右，從上到下）進一步的提升基於半金屬的光電探測器的性能。每個面板中均列出了示例性可能性，其中一些可能性放置在兩個面板的邊界以指示聯合可能性。

該前瞻性文章於2020年7月6日在線發表在Nature Materials網站(https://www.nature.com/articles/s41563-020-0715-7 DIO: 10.1038/s41563-020-0715-7)。這項工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持。

（編輯 焦徳芳 倪侃）


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