近日，紅外科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃志明、褚君浩研究員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用電磁誘導(dǎo)勢(shì)阱（EIW）效應(yīng)和激子絕緣體（EI）相變實(shí)現(xiàn)了針對(duì)室溫條件優(yōu)化的光電響應(yīng)極值，在太赫茲波段表現(xiàn)出相較傳統(tǒng)商用高萊管探測(cè)器比探測(cè)率數(shù)量級(jí)提升的室溫高性能響應(yīng)。通過(guò)激子絕緣體相變與能帶工程的協(xié)同調(diào)控，為開(kāi)發(fā)室溫高性能光電探測(cè)器提供了全新范式。相關(guān)成果發(fā)表在《Light: Science & Applications》期刊。

室溫光電探測(cè)在成像、量子信息、通信及可穿戴電子設(shè)備等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出極其重要且廣泛的應(yīng)用前景。在探測(cè)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，具有相變特性的材料始終是探測(cè)器研究的核心關(guān)注對(duì)象。針對(duì)室溫條件優(yōu)化的高靈敏度光電探測(cè)技術(shù)研究對(duì)推動(dòng)室溫光電子技術(shù)的發(fā)展具有決定性意義。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)變溫拉曼光譜表征了EI相變下Ta₂NiSe₅的晶格畸變（圖1a），并通過(guò)變溫電學(xué)研究得到了Ta₂NiSe₅在相變溫度326 K后電阻溫度系數(shù)α值從-1.3 %至-2.5 %的突變（圖1b）。變溫霍爾表征進(jìn)一步展現(xiàn)了Ta₂NiSe₅由于激子凝聚作用在相變后的載流子濃度快速下降和遷移率的快速上升（圖1c和d）。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)器件的變溫光電響應(yīng)特性展開(kāi)研究，利用EIW效應(yīng)和EI相變下的輸運(yùn)性質(zhì)突變，實(shí)現(xiàn)了與理論推導(dǎo)相吻合的太赫茲波段不尋常的室溫極值光電響應(yīng)（圖2）。通過(guò)對(duì)器件變溫噪聲和變溫響應(yīng)時(shí)間的研究，進(jìn)一步確定了室溫為器件的最佳工作區(qū)間。相關(guān)研究結(jié)果證明了Ta₂NiSe₅是極具潛力的室溫高靈敏探測(cè)候選材料。

團(tuán)隊(duì)搭建了基于Ta₂NiSe₅和WS₂的Type I異質(zhì)結(jié)，在降低暗電流的同時(shí)提升了器件的柵極調(diào)控能力。異質(zhì)結(jié)器件在可見(jiàn)及紅外波長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯的光伏效應(yīng)，在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)了EIW效應(yīng)和結(jié)效應(yīng)協(xié)同作用下的光電響應(yīng)。如圖3所示，在太赫茲波段，該研究的Ta₂NiSe₅基探測(cè)器室溫響應(yīng)率、電子學(xué)帶寬和D^*均大幅優(yōu)于商用器件和已報(bào)道的二維材料的太赫茲探測(cè)器。在可見(jiàn)光到紅外波長(zhǎng)，該研究的Ta₂NiSe₅基探測(cè)器的室溫響應(yīng)率優(yōu)于商用紅外探測(cè)器和已報(bào)道的二維材料探測(cè)器，與此同時(shí)，其室溫電子學(xué)帶寬相較大多數(shù)已報(bào)道的二維材料探測(cè)器有著明顯提升。探測(cè)器的室溫D^*與已報(bào)道的Ta₂NiSe₅及WS₂基二維材料探測(cè)器相比實(shí)現(xiàn)了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)的進(jìn)步，并可以媲美商用探測(cè)器的室溫性能。

圖1. Ta₂NiSe₅的激子絕緣體相變研究

圖2. 器件的室溫極值光電響應(yīng)

圖3.?研究成果與已報(bào)道工作的對(duì)比

紅外科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳吞炭博士為該論文的第一作者，黃志明研究員為該論文通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01701-0

供稿：黃志明

編輯：虞慧嫻