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中国半导体十大研究进展候选推荐(2021-008)———狄拉克半金属能带优化的太赫兹探测器

已有 2632 次阅读 2021-7-27 09:47 |系统分类:论文交流


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工作简介

         ——狄拉克半金属能带优化的太赫兹探测器


随着光电技术日新月异的高速发展,传统红外光电探测器的响应谱段已经拓展到了长波、甚长波红外乃至太赫兹波段。由于太赫兹探测在大气研究、环境监测、深空探测、雷达成像、安保监控、无损检测、精细遥感、空间通信等各个领域有着巨大的应用价值,因而美国VDI、航天局NASA、海洋局NOAA、欧洲ESA、日本JAXA等机构对该领域给与了极大关注,正大力发展基于长波太赫兹新型探测以及焦平面光谱成像技术。现有太赫兹探测器件受到工作温度、响应时间、量子效率、探测灵敏度、面阵尺寸等诸多因素的限制,面临着基本性能与集成的束缚瓶颈,因此必须从太赫兹光敏材料入手,创新探测机制来打开高性能集成化太赫兹探测技术的突破口。近年来,拓扑物态调控领域的进展开启了人工低能态激发的新维度,而太赫兹波所拥有的低能量光子有望成为拓扑半金属线性色散关系能带性质及其光电行为研究的有效媒介。因此将新型拓扑材料与太赫兹光电响应新机理相结合,有望开辟一条全新的太赫兹光电探测变革性技术路径。


最近,中国科学院上海技术物理研究所与南京大学等相关团队提出了在材料中替位掺杂来精准调控II型狄拉克半金属费米能级的新方法,通过在IrTe2材料引入Pt的掺杂得到稳定的、能带可调控的新型II型狄拉克半金属,设计了具有高性能探测能力的太赫兹探测器结构。由于第II型狄拉克锥的倾斜可实现更宽阔的波长吸收,当费米能级与狄拉克点接触的情况下表现出太赫兹波吸收异常增强的特性,产生大量光载流子,获得室温光电导大幅度增强,从而实现了低功耗、高响应的太赫兹探测功能。并且通过构建狄拉克半金属范德华异质结,进一步抑制热扰动噪声,提升了快速响应性能。通过对药品胶囊的成像研究,课题组进一步验证了该器件在理想应用场景下的工作潜力。本研究工作表明了在原子层面构筑新材料、新器件的可行性,为原子尺度上操控新型拓扑态提供了新的方案。同时也为新型II型狄拉克半金属在光电探测的应用奠定了实验基础,预示了拓扑材料在成像、通讯等领域的巨大应用潜力。




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图1. 材料能带变化及器件原理和性能。



研究结果于2021年2月23日以“Colossal Terahertz Photoresponse at Room Temperature: A Signature of Type-II Dirac Fermiology”为题发表在ACS Nano上。徐煌、费付聪和陈支庆子为文章的共同第一作者,王林研究员、陈刚研究员、陈效双研究员和南京大学的宋凤麒教授为文章共同通讯作者,研究工作也同时得到了南京大学万贤纲教授的合作支持。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然基金委、上海市科委以及启明星研究员计划等的大力支持。



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作者简介


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第一作者


徐煌,中国科学院上海技术物理研究所、博士。


2021年于中国科学院上海技术物理研究所获得理学博士学位;该作者研究方向为低维材料的光电探测,博士期间主要围绕新型II狄拉克半金属材料太赫兹探测研究等方面开展研究工作。在国际学术期刊上已发表论文10余篇,获得中国科学院上海技术物理所隆文特别奖、三好学生等奖励。




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第一作者


费付聪,南京大学物理学院副研究员。


2018年博士毕业于南京大学,物理学专业。该作者主要研究方向为拓扑材料晶体生长和拓扑性质研究。着重在二类狄拉克半金属和铋基拓扑绝缘体等数类新型拓扑材料中开展高质量材料生长与物性优化研究工作。以一作及通讯作者发表论文13篇。其中ESI高被引论文1篇,热点论文1篇,美国物理学会《Physics》Viewpoint专题报道论文1篇。


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第一作者


陈支庆子,中国科学院上海技术物理研究所、在读博士。


2018年于浙江工业大学获得学士学位;该作者研究方向为新型拓扑材料光电探测器研究,基于狄拉克半金属、外尔半金属、拓扑绝缘体等拓扑材料,在新型光电器件和太赫兹探测等方面开展研究工作。





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通讯作者


陈效双,中国科学院上海技术物理研究所研究员,博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者, 红外物理国家重点实验室主任,“上海市青年科技启明星”,上海市优秀学科带头人计划,上海市领军人才,新世纪百千万人才工程国家级人选。


陈效双研究员长期从事红外光电子材料与器件、人工光子微结构的研究工作,解决了半导体光电子材料物理和器件中许多复杂的问题,在包括Nat. Mater.,Nat. Commun.,Adv. Mater.,Phys. Rev. Lett.,PNAS, Nano Lett.,JACS等国际学术期刊上发表论文160 余篇,被SCI刊物他引8000 余次,授权和申请发明专利40 余项。


担任Scientific reports等多个SCI刊物编委,先后承担国家重点研发计划专项,国家自然基金重大和重点项目,上海市科委重大和重点项目多项,获上海市自然科学牡丹奖1 项,国家自然科学二等奖1 项(第2),上海市自然科学一等奖1 项(第2),国家科技发明奖二等奖1项第4和其它省部级科技进步奖4 项,获中国科学院优秀博士生导师奖和中国科学院优秀研究生指导教师。





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通讯作者


陈刚,中国科学院上海技术物理研究所,博士,研究员,博士生导师。


1995年本科毕业于复旦大学物理二系;2002年在复旦大学物理系获得理学博士学位,2002-2012年在奥地利林茨大学半导体和固体物理研究所任博士后和高级博士后。2012年12月加入上海技术物理研究所,任职研究员。

陈刚研究员参与和主持科技部973重大专项、国家自然科学基金面上项目、上海市自然科学基金面上项目等科研项目。在Nature Communications,Advanced Materials,Nano LettersACS Nano,Science Advance,SmallPhysical Review LettersNPG Asia Materials等SCI杂志上发论文70余篇,引用700余次。主要从事四族半导体材料的生长与微纳光电子学应用方面的研究。最近几年的研究兴趣集中在方向:1)硅基半导体低维材料的分子束外延制备和光电探测应用;2)基于低维碳基材料的材料生长、光电探测机理与器件研究;3)基于新型狄拉克材料的太赫兹探测机理与器件研究;4)半导体表面微纳结构自组织生长机理与表征研究 。




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通讯作者


王林,中国科学院上海技术物理研究所启明星研究员,硕士生导师,中国科学院青促会会员。


王林研究员长期从事红外与太赫兹探测材料与器件物理、二维电子体系的理论与实验研究工作,解决了探测器一系列理论与应用的基础问题。近年来,围绕拓扑量子及二维新材料体系的长波光电现象、III-V族非平衡电子态的光电操控及其装备化组件系统太赫兹成像应用等开展深入研究,以第一和通讯作者在Nat. Commun.,Sci. Adv.,Nano Lett.,Adv. Funct. Mater.,Adv. Sci.,ACS NanoSmall等国际学术刊物发表论文40余篇,SCI他引1000多次。曾担任Frontiers in Materials、Materials等刊物客座编辑,以及多个学术会议的程序委员会成员,在国内外学术会议做邀请报告10余次。主持国家基金面上、中科院人才基金及知识创新工程等多个项目,申请发明专利20余项,曾获得中科院院长特别奖、中科院优博以及上海市优秀成果奖(2016年)等。




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通讯作者


宋凤麒,南京大学物理学院,教授,博士生导师,国家杰出青年基金获得者。


宋凤麒教授长期致力于原子制造科学技术、拓扑材料与物理以及介观量子相干输运与物理等领域的研究,在包括Nat. Nanotech.Nat. Phys.Phys. Rev. LettNat. Commun.Adv. Mater.Adv. Funct. Mater.Natl. Sci. Rev.ACS NanoNano Lett.等刊物发表论文160多篇,多篇入选本领域引用1%的高被引论文,SCI他引4000余次。曾担任《Advances in Physics:X》、《Nanotechnology》和《Chinese Physics Letters》编委,以及当选中国物理学会原子分子物理专业委员会委员,科技委主题首席科学家,还获得获得科技部973课题“原子分子团簇及组装体系的自旋/电荷序及其调控”、国家自然科学基金重大研究计划培育项目、面上项目等项目的资助。



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原文传递


详情请查看论文链接:https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c10304






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