【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，紅外科學(xué)與技術(shù)全國重點(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)勢阱(EIW)效應(yīng)和激子絕緣體(EI)相變實(shí)現(xiàn)了針對室溫條件優(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)商用高萊管探測器比探測率數(shù)量級提升的室溫高性能響應(yīng)。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(guān)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(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(guān)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(tuán)隊(duì)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(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)對器件的變溫光電響應(yīng)特性展開研究，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)。通過對器件變溫噪聲和變溫響應(yīng)時間的研究，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(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(yīng)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(xué)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(shí)現(xiàn)了1-2個數(shù)量級的進(jìn)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(yīng)
 

圖3. 研究成果與已報道工作的對比
 

　　紅外科學(xué)與技術(shù)全國重點(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。