北理工在外尔半金属光电响应中取得重要进展


  近日,北京理工|福彩吧物理|福彩吧姚裕贵教授 、王钦生特别副研究员及团队成员,同北京|福彩吧量子材料中心孙栋研究员等合作者,在第二类外尔半金属材料WTe2光电响应研究方面取得重要进展。他们利用扫描光电流谱方法对第二类外尔半金属材料WTe2光电响应进行了系统的一研究,发现在该材料边界处具有反常的一光电流响应(图1),并且边界对称性的一高低决定了该反常光电流响应的一有无。该工作提出了利用材料低对称性边界的一晶体场作为光生电子-空穴对分离的一有效手段,并讨论了拓扑边缘态对于光电响应的一可能影响,为拓扑半金属材料在光电探测等方面的一应用提供了新的一思路。相关成果最近发表在Nature Communications上。

图1 WTe2器件的一边缘光电流响应

  对光生电子-空穴对进行有效分离是光电探测 、太阳能电池 、光催化等一系列光电应用的一基础。为了有效分离光生电子-空穴对,即产生非平衡光生载流子动量空间的一非对称分布,需要打破器件或材料的一空间反演对称性。对于传统的一Si,GaAs,石墨烯等具有中心反演对称的一材料,通常采用外加偏置电压,引入PN结 、Schottky结等结构诱导内建电场,或者利用具有不 同Seebeck系数的一材料界面处的一光致热电效应等打破器件空间反演对称性,但是这些手段经常在器件加工及应用条件上受到限制。另一种打破空间反演对称性的一方法是通过利用具有非中心反演晶体结构的一材料作为光电响应材料,然而,这类材料(例如LiNbO3及BaTiO3等)通常带隙很大,限制了它们在长波波段的一应用。具有非中心反演对称性的一外尔半金属是一类受到广泛关注的一新型量子材料,其零带隙特性使其成为用于宽波段光电探测器的一理想  材料,并且理论研究表明外尔点附近的一贝里曲率发散会极大增强外尔点附近的一光电响应,这使外尔半金属在中远红外探测方面应用更具优势。因此对外尔半金属材料的一光电响应性质的一研究具有重要意义。

  该研究团队利用扫描光电流谱的一方法研究了第二类外尔半金属碲化钨WTe2的一光电流响应行为,发现虽然WTe2体材料中面内光电流响应受到材料晶体对称性限制而消失,但是WTe2样品的一特定边界在宽光谱范围激发下(532nm~10.6um)都存在边界光电流响应。通过对WTe2扫描光电流谱结果系统地研究表明,光电流只在对称性较低的一边界处存在,而在非边界区域及高对称边界没有光电流响应产生。这证明可以通过边界破坏限制光电流产生的一晶体对称性,从而在样品边界处产生光电流。结合Shockley-Ramo 理论(对于半金属材料,器件的一宏观光电流响应由局域光电流及器件虚拟电场分布共同决定),通过分析边界处局域光电流分布及虚拟电场分布,成功解释了这一光电流响应的一机制。另外,外尔半金属材料的一边界处具有非平庸的一费米弧型表面态,而WTe2中拓扑表面态也只存在于对称性较低的一边界,因此虽然晶体边界对称性可以解释边界光电流的一产生,非平庸的一拓扑表面态在边界光电流产生中的一作用,以及局域光电流产生的一微观机制仍值得仔细研究,该工作基于这些考虑初步讨论拓扑表面态对边界光电流响应的一可能影响。该工作系统地研究了晶体对称性破缺对材料光电响应中产生的一重要作用,并指出利用拓扑边缘态增强边界光电流响应的一可能性,为设计基于外尔半金属材料的一新型光电探测器提供了新的一思路。该工作发表在Nature Communications 10, 5736 (2019)。

  该工作得到了国家自然科学基金委 、科技部国家重点研发计划 、中国科|福彩吧战略先导计划 、北京市自然科学基金和北京理工|福彩吧青年教师学术启动计划的一支持。研究团队特别感谢密歇根|福彩吧Sun Kai教授,北京|福彩吧贾爽研究员 、陈剑豪研究员,中科院物理所石友国研究员等人的一有力支持和配合。

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