近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心和物理系中國科學院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授、李林副研究員研究團隊聯合高陽教授課題組，在固體材料非線性輸運研究中取得重要進展。研究團隊在單質半導體碲中觀測到了巨大且可調的室溫非線性霍爾效應，并實現了基于非線性霍爾效應的無線射頻整流。相關研究成果以“Giant nonlinear Hall and wireless rectification effects at room temperature in the elemental semiconductor tellurium”為題于6月29日在線發表在《Nature Communications》上(DOI:10.1038/s41467-024-49706-y)。
 

　　非線性霍爾效應作為霍爾家族的新成員近年來引起了廣泛關注。和線性響應區間的普通霍爾效應不同，非線性霍爾效應是對縱向交流電流的二階電場響應，可以在不施加任何外磁場的情況下，在橫向產生倍頻信號以及直流信號。這也使得非線性霍爾效應在倍頻和整流器件等領域有著廣泛的應用前景。然而，先前報道的非線性霍爾效應往往存在輸出電壓輸出過小和工作溫度過低的問題，阻礙了相關的器件應用。到目前為止，室溫下的非線性霍爾效應只在狄拉克半金屬BaMnSb2和外爾半金屬TaIrTe4中觀測到，但電壓輸出都相對較小且缺少可調控性。
 

　　研究團隊另辟蹊徑，探索在半導體材料中尋找具有優異非線性霍爾表現的材料體系。他們對碲單質半導體薄片的非線性響應行為進行了系統研究，發現碲薄片存在顯著的室溫非線性霍爾效應，且通過外加柵壓可以顯著調控輸出電壓幅值。在300 K溫度下，非線性霍爾電壓的最大輸出幅值可以達到2.8 mV，比此前報道體系中的最高記錄高出一個量級。在此基礎上，研究團隊利用射頻激勵取代交流電流驅動，進一步實現了顯著的無線整流效應，在較寬的0.3~4.5 GHz頻率范圍內實現了穩定的整流電壓輸出。結合進一步的實驗和理論分析，室溫非線性霍爾效應主要由外稟散射機制主導，而薄片結構的表面對稱性破缺起到了重要作用。該工作進一步加深了對固體中非線性輸運的理解，同時也為設計實現非線性電子學器件提供了重要材料候選。
 

　　圖：(a)碲的晶體結構示意圖及基于碲薄片的測試器件。(b)不同電流方向下非線性霍爾電壓隨交流電流的變化關系。(c)非線性霍爾電壓輸出幅值及工作溫度與其他體系的對比。(d)基于非線性霍爾的無線射頻整流效應。

 

　　近年來，曾長淦、李林研究團隊在半導體碲的新奇電子態和輸運性質研究中取得了系列進展，包括首次確證碲為一類結合拓撲和半導體雙重屬性的“外爾半導體”(PNAS 117, 11337 (2020))；與北京大學孫棟教授合作，利用中紅外圓偏振光電效應揭示獨特的外爾光學響應(Nat. Commun. 13, 5425 (2022))；基于碲的特殊能帶結構，設計實現了一類新型“拓撲場效應晶體管”(Phys. Rev. Appl. 17, 054044 (2022))。在本研究工作中，碲在非線性響應區間優異輸運性能的發現，將進一步激發人們對于這類“簡單”半導體材料新奇物性和應用的探索。
 

　　我校物理學院博士畢業生程斌、高陽教授和博士研究生鄭直為論文共同第一作者。曾長淦教授和李林副研究員為論文共同通訊作者。合作者還包括我校信息科學技術學院朱旗教授和安徽大學李惠教授。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院以及安徽省的資助。李林副研究員得到了中國科學技術大學仲英青年學者項目的資助。(合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)