近日,北京大学量子材料科学中心的孙栋教授和合作者,天津大学刘晶教授、美国耶鲁大学的FengnianXia教授、卡纳基梅隆大学的DiXiao教授和西班牙巴塞罗那科学与技术学院的F. Javier García de Abajo教授在《自然-材料》(Nature Materials)上发表题为“Semimetalsfor high-performance photodetection”的前瞻性(Perspective)文章,展望了拓扑光电探测这个新兴领域的未来发展的方向。
高性能的光电探测器广泛应用于人们的日常生活,是各种电子设备的“眼睛”。可见光和近红外光电探测器因为成熟的第一代和第二代半导体材料和器件工艺,已经在我们的日常生活中随处可见,成为各个领域不可或缺的关键器件。而探测更长波长的中远红外和太赫兹波段的光电探测器却因为材料和工艺方面的局限,存在多个难以攻克的技术瓶颈,例如高昂的制造成本、低密度的集成,以及需要制冷来降低暗噪声从而获得足够的灵敏度。如何实现室温下工作的高性能长波探测器困扰了光电探测领域几十年时间,一直是科研领域关注的重要研究方向之一,因为这类探测器在精确运动感应、 夜视、遥感、无损检测等诸多关键应用领域有着不可替代的应用,而国外又长期对我国封锁长波焦平面探测面阵。
图一:半导体vs.半金属光电探测。a.偏置条件下的半导体PIN探测器,只有当光子能量大于带隙时光子可以被吸收并被探测到。b.半导体材料中光生载流子的产生和复合。典型的电子空穴复合时间在纳秒量级。c.基于半金属的无偏置插指电极探测器。因为没有带隙,对于吸收和探测光的波长没有限制。D. 半金属材料中光生载流子的产生和复合。因为可以通过电子电子散射复合,典型的复合时间在皮秒量级。
目前中长波光电探测的技术瓶颈受困于半导体材料的固有局限,对于低能量光子的探测依赖于窄带隙半导体材料,而带隙的减小带来了室温下暗噪声的困扰。近十年来,科研人员尝试使用半金属材料,替代窄带半导体材料用于中长波的光电探测,在低能耗、宽谱、高速响应等诸多方面展示了半导体材料无可比拟的优势,但是基于半金属材料的光电探测器为了避免暗电流需要在无偏置条件下工作,一直存在响应度低的关键性能缺陷,限制了其进一步的发展。
孙栋课题组一直致力于该方向的研究,并在近些年通过将拓扑半金属材料引入光电探测领域(Nano Letters 17,834,2017;Advanced Materials 30,1707152,2018;ACS Nano 12,4055,2018),并应用拓扑效应解决了一些半金属光电探测的关键问题,尤其是通过外尔半金属中贝里曲率对位移电流的增强效应有效地解决了无偏置下的电荷分离问题,从而大大提高了探测器的响应度(Nature Materials, 18,476, 2019; Nature Communications 10,5736, 2019)。这些工作为基于拓扑半金属的光电探测器打开了全新的可能。
在这篇刚发表在自然材料的展望文章中,孙栋和合作者分析探讨了半导体材料和半金属材料作为光电探测材料的优势和局限,总结了过去十多年时间里,基于半金属材料的光电探测方面取得的进展并重点论述了仍待解决的关键问题及其背后的物理原因。文章的重点是论述通过引入拓扑半金属材料和拓扑效应到光电探测对中长波光电探测器领域可能带来的改变,详细分析了拓扑光电探测领域在去年取得关键突破之后,未来需要解决的关键问题和难点,并展望了未来在新材料、新器件结构中利用特殊的拓扑效应来解决这些问题的技术路径,为“拓扑光电探测”这个领域的未来研究工作描绘了的充满希望的发展前景。
图二:基于半金属的光电探测器未来发展机遇。利用新的拓扑材料,设备结构,拓扑效应和量子自由度(从左到右,从上到下)进一步的提升基于半金属的光电探测器的性能。每个面板中均列出了可能的样例,其中一些样例放置在两个面板的边界以表示联合可能性。
这项工作得到了北京市****基金和国家自然科学基金委的资助。
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
《自然-材料》报道量子中心孙栋及合作者对拓扑光电探测的展望:基于半金属的高性能光电探测
本站小编 Free考研考试/2021-12-20
相关话题/光电 金属 材料 电子 技术
物理学院杨金波、叶堉课题组二维磁性材料研究方面取得系列进展
自2017年来,二维磁性在单层材料中的实现使得二维磁性材料得到了极大的关注。这些范德瓦尔斯磁体让我们对二维极限下的磁性有了更进一步的了解,不同磁结构的范德瓦尔斯磁体使得实验上探究二维下的磁学模型成为可能。比如,Ising铁磁在单层CrI3中发现,而且XY模型的NiPS3在单层极限下磁性被抑制。除了这 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20量子材料科学中心王健及合作者在二维晶态超导体系中发现第二类伊辛超导和反常金属态
二维晶态超导体是凝聚态物理和材料科学的新兴前沿研究方向。2016年液态栅极技术发明人日本东京大学的Iwasa教授在NatureReviewMaterials文章中指出,量子格里菲斯奇异性,反常金属态和在强平行磁场下存在的超导电性(如伊辛超导)是二维晶态超导体领域最重要的研究主题【Nat.Rev.Ma ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20深研院新材料学院发现光照将氮气同时生成氨和硝酸根的催化材料和机理
氨和硝酸盐在农业和化学合成中具有重要的作用。目前氨主要使用传统的哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺进行生产,该过程消耗了全球约2%的能源,排放约1%的温室气体。同时在使用NH3生产硝酸时还需要消耗额外的能源。而在常温常压下,使用太阳能、水和催化剂进行氮的固定展现出了巨大的潜力。当前,有很多关于 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20化学学院张俊龙课题组与合作者利用“协同”策略构筑金属药物治疗脑卒中
脑卒中,又称“中风”,是一种高发病率、死亡率和致残率的急性脑血管疾病,成为当今危害生命健康的主要疾病之一。研究表明,缺血性脑卒中会产生大量活性氧物种(ReactiveOxygenSpecies,ROS),引起神经元氧化应激受损,产生炎性反应、细胞凋亡和组织损伤。长期以来,清除ROS被视作治疗缺血性脑 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20工学院段慧玲课题组在金属材料强度尺寸效应方面取得重要进展
“越小越强(SmallerisStronger)”是金属材料的一个常见特性。晶体金属材料的屈服强度与晶粒尺寸和样品外观尺寸相关。材料屈服强度随晶粒尺寸减小而增加的现象由著名的Hall-Petch关系描述,然而,材料的屈服强度随样品外观尺寸增加而减小直到变得与样品尺寸无关这一重要特性的内在物理机制及统 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20环境科学与工程学院刘文研究员课题组及其合作者在JACS发文阐述新型材料光催化固氮最新研究成果
论文截图2020年6月12日,化学领域顶尖期刊《美国化学会志》(JournaloftheAmericanChemicalSociety)在线发表了环境科学与工程学院刘文研究员与首都师范大学合作的最新研究成果“VisibleLight-DrivenNitrogenFixationCatalyzedby ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20深研院新材料学院潘锋课题组在锂电池电化学双电层机理研究方面取得进展
锂离子电池正在为便捷化生活方式和环境友好型社会建设服务。正极材料是锂离子电池的主要组成部分,磷酸铁锂因其高稳定性、高安全性而受到青睐,目前已实现商业化应用。近期,电动汽车特斯拉公司也给予磷酸铁锂高度重视,并做出长远规划。因此,为全方位发挥磷酸铁锂的优势,对其深刻研究显得尤为重要。相比于体相结构对性能 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20信息学院电子学系孙伟研究员课题组基于DNA模板的高性能碳纳米管晶体管研究取得重要进展
生物自组装结构具有精细的三维形貌,其关键结构参数小于光刻等传统纳米加工手段的分辨率极限。利用自组装生物分子作为加工模板,目前已实现金属材料、碳基材料、氧化物材料的可控形貌合成。然而,基于生物模板的电学器件的性能往往远落后于通过蚀刻或薄膜方法制备的同类器件,且缺乏长程取向规整性,因而制约了生物模板在高 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20信息学院电子学系张志勇-彭练矛课题组在用于高性能电子学的高密度半导体阵列碳纳米管研究中取得重要进展
集成电路的发展要求互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管在持续缩减尺寸的同时提升性能,降低功耗。随着主流CMOS集成电路缩减到亚10nm技术节点,采用新结构或新材料对抗场效应晶体管中的短沟道效应、进一步提升器件能量利用效率变得愈加重要。在诸多新型半导体材料中,半导体碳纳米管具有超高的电子和空穴迁移率 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20药学院屠鹏飞、姜勇团队创建精准单细胞微流控技术用于TRP通道调节剂的高效发现
为了有效解决中药药效成分的高效发现及其分子机制研究问题,近日,北京大学药学院天然药物及仿生药物国家重点实验室屠鹏飞、姜勇教授团队与青岛大学药学院王克威教授团队合作开发了一项精准单细胞微流控技术,用于瞬时受体电位(TransientReceptorPotential,TRP)通道调节剂的高效发现,相关 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20