近日，紅外科學與技術(shù)全國重點實驗室黃志明、褚君浩研究員團隊創(chuàng)新性地利用電磁誘導勢阱（EIW）效應和激子絕緣體（EI）相變實現(xiàn)了針對室溫條件優(yōu)化的光電響應極值，在太赫茲波段表現(xiàn)出相較傳統(tǒng)商用高萊管探測器比探測率數(shù)量級提升的室溫高性能響應。通過激子絕緣體相變與能帶工程的協(xié)同調(diào)控，為開發(fā)室溫高性能光電探測器提供了全新范式。相關成果發(fā)表在《Light: Science & Applications》期刊。

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

研究團隊通過變溫拉曼光譜表征了EI相變下Ta₂NiSe₅的晶格畸變（圖1a），并通過變溫電學研究得到了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）。研究團隊對器件的變溫光電響應特性展開研究，利用EIW效應和EI相變下的輸運性質(zhì)突變，實現(xiàn)了與理論推導相吻合的太赫茲波段不尋常的室溫極值光電響應（圖2）。通過對器件變溫噪聲和變溫響應時間的研究，進一步確定了室溫為器件的最佳工作區(qū)間。相關研究結(jié)果證明了Ta₂NiSe₅是極具潛力的室溫高靈敏探測候選材料。

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

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

圖3.?研究成果與已報道工作的對比

紅外科學與技術(shù)全國重點實驗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