Science Advances报道量子材料科学中间王楠林研究组关于电荷密度波材料室温下超宽光谱光电相应研究进展

近日，北京大学量子材料科学中间王楠林研究组的吴东博士及合作者在二维电荷密度波（CDW）材料1T-TaS₂中发现室温下超宽光谱的光电相应征象。他们研究了室温下处在近公度CDW状况的1T-TaS₂材料体系，发现当外加偏压（电场）接近CDW滑移的阈值附近时，材料对从可见光到太赫兹宽广能量区间的光辐照变得特别很是敏感。这一发现为实现非制冷、超宽带（包含太赫兹波段）和灵敏的光电探测研究拓荒了一条新的途径。该工作以研究长文（Research Article）情势发表于近期的Science子刊上：Science Advances, aao3057 (2018)。吴东、王楠林是该工作的共同通信作者。

将光旌旗灯号转换为电旌旗灯号的能力在光子学领域极为紧张。这种效应在成像、通信、量子信息以至到空间科学领域都有广泛的应用。但是，基于统一器件的超宽光谱，分外是包含远红外和太赫兹波段的光电探测一向是这一领域的难点。受电子能带结构的限定，传统半导体对小于其能隙能量的光无法直接相应。例如硅基光电探测器，通过单粒子激发穿过带隙（_~1.1 eV）来实现光相应，因此对于低于其带隙能量的光谱如远红外和太赫兹是透明的。另一方面，对于通俗金属，虽然其带隙为零，但因为存在大量的自由载流子，每每直接屏蔽了可能发生的光激发旌旗灯号，从而不适合作为光电探测器材料。一样平常金属和半导体的电子激发属于单粒子激发范畴。

与通俗金属和半导体不同，一些特别物态如超导和电荷密度波不仅有单粒子激发同时还存在集体激发模式。电荷密度波是固体中研究最多的集体凝聚征象之一，物理上具有两种不同的集体激发模式，即振幅模式（Amplitude mode）和相位模式（Phase mode）。振幅激发体现为电荷密度的纵向振动（CDW振幅的转变），类似于光学支声子的激发，不会对电荷输运性子产生直接影响。而相位激发模式对应于CDW团体的平移，对应于电荷的流动。在没有任何缺陷或杂质存在的理想情况，这一平移活动不受阻碍，应具有零电阻特征。在现实材料中，因为杂质、缺陷的天然存在，CDW被钉扎在有限的频率上从而具有有限的电阻。但当施加电场超过相位激发模式的阈值时，电荷密度波材料则会出现明显的非线性电流电压举动，体现为电阻的急剧降落，通常称为CDW的滑移。

1T-TaS₂是具有代表性的二维CDW材料。电子关联效应以及电声子相互作用使得这一系统存在雄厚的物相结构。随着温度降低，其先后经历从简单金属到非公度-CDW相（相变温度_~550K），近公度-CDW相（相变温度_~350K），最终进入公度-CDW绝缘相（<183K）。1T-TaS₂电学性子对外加电场呈现明显的非线性依靠关系。吴东等研究发现，当外加偏压小于导致电荷密度波滑移的阈值时，假如外加光激发，则会导致电阻态的转变，即提前诱导了phase mode的滑移。与此对应，相称于有一个伟大的光电相应效应，并且在从紫外到太赫兹的宽广能量范围都存在，该效应可用于制造宽广能量区域的光电相应探测器件。

图. 1T-TaS₂ 超宽光谱光电相应特征。A. 光照对I-V曲线的影响。B. 光电流的开关效应。C. 不同偏压下，器件在λ=1550 nm辐照的光电流相应。D. 阈值电压附近，不同波段的光相应度（R）的大小。

天津理工大学马永昌教授、清华大学赵天然教授研究组和量子材料科学中间危健研究组参与了该项工作的合作研究。该工作得到了国家天然科学基金、国家庞大科学研究计划及“2011计划”量子物质科学协同创新中间的支撑。

编辑：山石