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隊成員，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稱性邊界的晶體場作為光生電子-空穴對分離的有效手段，并討論了拓?fù)溥吘墤B(tài)對于光電響應(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)
對光生電子-空穴對進(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,，即產(chǎn)生非平衡光生載流子動量空間的非對稱分布,，需要打破器件或材料的空間反演對稱性。對于傳統(tǒng)的Si,，GaAs,，石墨烯等具有中心反演對稱的材料，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附近的貝里曲率發(fā)散會極大增強外爾點附近的光電響應(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,。
該研究團隊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WTe2掃描光電流譜結(jié)果系統(tǒng)地研究表明,，光電流只在對稱性較低的邊界處存在，而在非邊界區(qū)域及高對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)生的晶體對稱性,，從而在樣品邊界處產(chǎn)生光電流。結(jié)合Shockley-Ramo 理論（對于半金屬材料,，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)的機制,。另外，外爾半金屬材料的邊界處具有非平庸的費米弧型表面態(tài),，而WTe2中拓?fù)浔砻鎽B(tài)也只存在于對稱性較低的邊界,，因此雖然晶體邊界對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)地研究了晶體對稱性破缺對材料光電響應(yīng)中產(chǎn)生的重要作用,，并指出利用拓?fù)溥吘墤B(tài)增強邊界光電流響應(yīng)的可能性,，為設(shè)計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,、科技部國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)計劃,、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)啟動計劃的支持,。研究團隊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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