北理工在外爾半金屬光電響應中取得重要進展


  近日,北京理工大學物理學院姚裕貴教授、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光電響應研究方面取得重要進展。他們利用掃描光電流譜方法對第二類外爾半金屬材料WTe2光電響應進行了系統的研究,發現在該材料邊界處具有反常的光電流響應(圖1),并且邊界對稱性的高低決定了該反常光電流響應的有無。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,并討論了拓撲邊緣態對于光電響應的可能影響,為拓撲半金屬材料在光電探測等方面的應用提供了新的思路。相關成果最近發表在Nature Communications上。

圖1 WTe2器件的邊緣光電流響應

  對光生電子-空穴對進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用的基礎。為了有效分離光生電子-空穴對,即產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、Schottky結等結構誘導內建電場,或者利用具有不同Seebeck系數的材料界面處的光致熱電效應等打破器件空間反演對稱性,但是這些手段經常在器件加工及應用條件上受到限制。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構的材料作為光電響應材料,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散會極大增強外爾點附近的光電響應,這使外爾半金屬在中遠紅外探測方面應用更具優勢。因此對外爾半金屬材料的光電響應性質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的光電流響應行為,發現雖然WTe2體材料中面內光電流響應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下(532nm~10.6um)都存在邊界光電流響應。通過對WTe2掃描光電流譜結果系統地研究表明,光電流只在對稱性較低的邊界處存在,而在非邊界區域及高對稱邊界沒有光電流響應產生。這證明可以通過邊界破壞限制光電流產生的晶體對稱性,從而在樣品邊界處產生光電流。結合Shockley-Ramo 理論(對于半金屬材料,器件的宏觀光電流響應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,而WTe2中拓撲表面態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生,非平庸的拓撲表面態在邊界光電流產生中的作用,以及局域光電流產生的微觀機制仍值得仔細研究,該工作基于這些考慮初步討論拓撲表面態對邊界光電流響應的可能影響。該工作系統地研究了晶體對稱性破缺對材料光電響應中產生的重要作用,并指出利用拓撲邊緣態增強邊界光電流響應的可能性,為設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。該工作發表在Nature Communications 10, 5736 (2019)。

  該工作得到了國家自然科學基金委、科技部國家重點研發計劃、中國科學院戰略先導計劃、北京市自然科學基金和北京理工大學青年教師學術啟動計劃的支持。研究團隊特別感謝密歇根大學Sun Kai教授,北京大學賈爽研究員、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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