東華大學等團隊在高靈敏太赫茲新型探測研究新進展
近日，東華大學邢懷中、中國科學院上海技術物理研究所王林等相關團隊共同合作，探究了基于新型節線性(Nodal-line)拓撲半金屬ZrGeSe的太赫茲探測器，為在一系列尖端應用上提供室溫探測新思路。相關結果以《節線性狄拉克費米子和范德華異質結驅動的高靈敏、自供電型太赫茲探測器》（Ultrasensitive and Self-Powered Terahertz Detection Driven by Nodal-line Dirac Fermions and Van Der Waals Architecture）為題，發表在《先進——科學》Advanced Science（DOI: 10.1002/advs.202102088）。
太赫茲頻段位于光子學（紅外）和電子學（微波）兩個領域之間，其頻率高于傳統電子學的截止頻率，而meV級光子能量又低于傳統半導體的帶隙，讓大量研究者對其望而卻步，被認為是最后一塊未被開發的頻率窗口。但是正是這種豐富的頻率特征令其在下一代信息通信、醫學成像、國防安全和深空探測等領域具有重要應用前景。作為太赫茲系統的重要組成部分，太赫茲探測器擔任著將太赫茲光轉化為電信號的承接作用。但在實際太赫茲探測實驗中發現，由于太赫茲光子能量遠低于半導體帶隙，傳統單粒子激發不再適用于此波段。因此當前的主要任務是開發新型材料和新結構來提高太赫茲場耦合，提高量子效率，從而實現室溫高效率和高靈敏的探測器。
為了解決上述問題，通過仿真模型研究發現,非對稱電極結構能夠增強太赫茲局域場（1~2個數量級），從而提高太赫茲場與材料的光電耦合效率。針對光敏材料選取問題，研究者們生長了擁有特殊能帶結構的節線性拓撲材料鋯鍺硒ZrGeSe（具有線性色散能帶交叉形成一個封閉的環而不是離散點，表現出新穎的物理特性，包括高遷移率、量子霍爾效應、較高的熱導率和較大的磁阻等），采用常規工藝，非對稱扇形天線（（M1-T-M2）耦合的太赫茲探測器。該工作直接引入光熱電效應（PTE），通過吸收太赫茲光產生非平衡熱載流子造成溫度梯度分布，與賽貝克系數差的乘積后積分形成電勢梯度，可實現對非平衡載流子電信號地有效提取，具有寬波段、高帶寬和高集成性的優勢；與此同時，為了抑制半金屬帶來暗電流過大的缺陷，研究者又通過范德華異質堆疊的方式，抑制熱擾動噪聲，噪聲等效功率達到了14.6 pW Hz^(1/2)（目前商用GaAs太赫茲單元探測器性能水平：噪聲等效功率：1nWHz^(1/2)）。
東華大學博士生張力波為該論文的第一作者，中國科學院上海技術物理研究所王林啟明星研究員、東華大學邢懷中教授、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張凱研究員為該論文的共同通訊作者，研究工作同時得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國防創新基金、上海市自然科學基金和上海VI 類器件高峰學科等項目的支持。
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