北理工在外爾半金屬光電響應(yīng)中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2019-12-18 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授、王欽生特別副研究員及團(tuán)隊(duì)成員,，同北京大學(xué)量子材料中心孫棟研究員等合作者,，在第二類外爾半金屬材料WTe2光電響應(yīng)研究方面取得重要進(jìn)展。他們利用掃描光電流譜方法對(duì)第二類外爾半金屬材料WTe2光電響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,，發(fā)現(xiàn)在該材料邊界處具有反常的光電流響應(yīng)（圖1）,，并且邊界對(duì)稱性的高低決定了該反常光電流響應(yīng)的有無。該工作提出了利用材料低對(duì)稱性邊界的晶體場作為光生電子-空穴對(duì)分離的有效手段,，并討論了拓?fù)溥吘墤B(tài)對(duì)于光電響應(yīng)的可能影響,，為拓?fù)浒虢饘俨牧显诠怆娞綔y等方面的應(yīng)用提供了新的思路,。相關(guān)成果最近發(fā)表在Nature Communications上。
圖1 WTe2器件的邊緣光電流響應(yīng)
對(duì)光生電子-空穴對(duì)進(jìn)行有效分離是光電探測,、太陽能電池,、光催化等一系列光電應(yīng)用的基礎(chǔ)。為了有效分離光生電子-空穴對(duì),，即產(chǎn)生非平衡光生載流子動(dòng)量空間的非對(duì)稱分布,，需要打破器件或材料的空間反演對(duì)稱性。對(duì)于傳統(tǒng)的Si,，GaAs,，石墨烯等具有中心反演對(duì)稱的材料，通常采用外加偏置電壓,，引入PN結(jié),、Schottky結(jié)等結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)內(nèi)建電場，或者利用具有不同Seebeck系數(shù)的材料界面處的光致熱電效應(yīng)等打破器件空間反演對(duì)稱性,，但是這些手段經(jīng)常在器件加工及應(yīng)用條件上受到限制,。另一種打破空間反演對(duì)稱性的方法是通過利用具有非中心反演晶體結(jié)構(gòu)的材料作為光電響應(yīng)材料，然而,，這類材料（例如LiNbO3及BaTiO3等）通常帶隙很大,，限制了它們在長波波段的應(yīng)用。具有非中心反演對(duì)稱性的外爾半金屬是一類受到廣泛關(guān)注的新型量子材料,，其零帶隙特性使其成為用于寬波段光電探測器的理想材料,，并且理論研究表明外爾點(diǎn)附近的貝里曲率發(fā)散會(huì)極大增強(qiáng)外爾點(diǎn)附近的光電響應(yīng)，這使外爾半金屬在中遠(yuǎn)紅外探測方面應(yīng)用更具優(yōu)勢,。因此對(duì)外爾半金屬材料的光電響應(yīng)性質(zhì)的研究具有重要意義,。
該研究團(tuán)隊(duì)利用掃描光電流譜的方法研究了第二類外爾半金屬碲化鎢WTe2的光電流響應(yīng)行為，發(fā)現(xiàn)雖然WTe2體材料中面內(nèi)光電流響應(yīng)受到材料晶體對(duì)稱性限制而消失,，但是WTe2樣品的特定邊界在寬光譜范圍激發(fā)下（532nm~10.6um）都存在邊界光電流響應(yīng),。通過對(duì)WTe2掃描光電流譜結(jié)果系統(tǒng)地研究表明，光電流只在對(duì)稱性較低的邊界處存在,，而在非邊界區(qū)域及高對(duì)稱邊界沒有光電流響應(yīng)產(chǎn)生,。這證明可以通過邊界破壞限制光電流產(chǎn)生的晶體對(duì)稱性，從而在樣品邊界處產(chǎn)生光電流,。結(jié)合Shockley-Ramo 理論（對(duì)于半金屬材料,，器件的宏觀光電流響應(yīng)由局域光電流及器件虛擬電場分布共同決定），通過分析邊界處局域光電流分布及虛擬電場分布,，成功解釋了這一光電流響應(yīng)的機(jī)制,。另外，外爾半金屬材料的邊界處具有非平庸的費(fèi)米弧型表面態(tài),，而WTe2中拓?fù)浔砻鎽B(tài)也只存在于對(duì)稱性較低的邊界,，因此雖然晶體邊界對(duì)稱性可以解釋邊界光電流的產(chǎn)生,，非平庸的拓?fù)浔砻鎽B(tài)在邊界光電流產(chǎn)生中的作用，以及局域光電流產(chǎn)生的微觀機(jī)制仍值得仔細(xì)研究,，該工作基于這些考慮初步討論拓?fù)浔砻鎽B(tài)對(duì)邊界光電流響應(yīng)的可能影響,。該工作系統(tǒng)地研究了晶體對(duì)稱性破缺對(duì)材料光電響應(yīng)中產(chǎn)生的重要作用，并指出利用拓?fù)溥吘墤B(tài)增強(qiáng)邊界光電流響應(yīng)的可能性,，為設(shè)計(jì)基于外爾半金屬材料的新型光電探測器提供了新的思路,。該工作發(fā)表在Nature Communications 10, 5736 (2019)。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委,、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金和北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃的支持,。研究團(tuán)隊(duì)特別感謝密歇根大學(xué)Sun Kai教授，北京大學(xué)賈爽研究員,、陳劍豪研究員,，中科院物理所石友國研究員等人的有力支持和配合。
論文連接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13713-1
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