【中國儀表網 儀表研發】近日，北京大學量子材料科學中心王楠林研究組的吳東博士及合作者在二維電荷密度波(CDW)材料1T-TaS2中發現室溫下超寬光譜的光電響應現象。他們研究了室溫下處在近公度CDW狀態的1T-TaS2材料系統，發現當外加偏壓(電場)接近CDW滑移的閾值附近時，材料對從可見光到太赫茲寬廣能量區間的光輻照變得非常敏感。這一發現為實現非制冷、超寬帶(包含太赫茲波段)和靈敏的光電探測研究開辟了一條新的途徑。該工作以研究長文(Research Article)形式發表于近期的Science子刊上：Science Advances, aao3057 (2018)。吳東、王楠林是該工作的共同通訊作者。

 

 

圖. 1T-TaS2 超寬光譜光電響應特性。A. 光照對I-V曲線的影響。B. 光電流的開關效應。C. 不同偏壓下，器件在λ=1550 nm輻照的光電流響應。D. 閾值電壓附近，不同波段的光響應度(R)的大小。

 

　　將光信號轉換為電信號的能力在光子學領域極為重要。這種效應在成像、通訊、量子信息以至到空間科學領域都有廣泛的應用。但是，基于同一器件的超寬光譜，特別是包含遠紅外和太赫茲波段的光電探測一直是這一領域的難點。受電子能帶結構的限制，傳統半導體對小于其能隙能量的光無法直接響應。例如硅基光電探測器，通過單粒子激發穿過帶隙(~1.1 eV)來實現光響應，因此對于低于其帶隙能量的光譜如遠紅外和太赫茲是透明的。另一方面，對于普通金屬，雖然其帶隙為零，但由于存在大量的自由載流子，往往直接屏蔽了可能發生的光激發信號，從而不適合作為光電探測器材料。一般金屬和半導體的電子激發屬于單粒子激發范疇。
 

　　與普通金屬和半導體不同，一些特殊物態如超導和電荷密度波不僅有單粒子激發同時還存在集體激發模式。電荷密度波是固體中研究最多的集體凝聚現象之一，物理上具有兩種不同的集體激發模式，即振幅模式(Amplitude mode)和相位模式(Phase mode)。振幅激發表現為電荷密度的縱向振動(CDW振幅的變化)，類似于光學支聲子的激發，不會對電荷輸運性質產生直接影響。而相位激發模式對應于CDW整體的平移，對應于電荷的流動。在沒有任何缺陷或雜質存在的理想情況，這一平移運動不受阻礙，應具有零電阻特性。在實際材料中，由于雜質、缺陷的自然存在，CDW被釘扎在有限的頻率上從而具有有限的電阻。但當施加電場超過相位激發模式的閾值時，電荷密度波材料則會出現顯著的非線性電流電壓行為，表現為電阻的急劇下降，通常稱為CDW的滑移。
 

　　1T-TaS2是具有代表性的二維CDW材料。電子關聯效應以及電聲子相互作用使得這一體系存在豐富的物相結構。隨著溫度降低，其先后經歷從簡單金屬到非公度-CDW相(相變溫度~550K)，近公度-CDW相(相變溫度~350K)，最終進入公度-CDW絕緣相(<183K)。1T-TaS2電學性質對外加電場呈現顯著的非線性依賴關系。吳東等研究發現，當外加偏壓小于導致電荷密度波滑移的閾值時，如果外加光激發，則會導致電阻態的變化，即提前誘導了phase mode的滑移。與此對應，相當于有一個巨大的光電響應效應，并且在從紫外到太赫茲的寬廣能量范圍都存在，該效應可用于制造寬廣能量區域的光電響應探測器件。
 

　　天津理工大學馬永昌教授、清華大學趙自然教授研究組和量子材料科學中心危健研究組參與了該項工作的合作研究。該工作得到了國家自然科學基金、國家重大科學研究計劃及“2011計劃”量子物質科學協同創新中心的支持。