Science Advances：室温下从可见光到太赫兹的超宽带光敏度

【前言】

光转换为电信号的能力在光子学领域极为重要。这种效应在成像，通讯，量子信息以致到空间科学领域都有广泛的应用。但是在宽光谱范围内对应光的高灵敏度，特别是在室温下（RT）频率降到太赫兹(THz)，是特别罕见但值得称赞的。传统半导体，例如硅，通过单个颗粒激发穿过带隙来得到光响应并且对于低于带隙的能量对THz光子是透明的。另一方面，金属或者具有非常窄带隙的半导体的光响应特性受到自由载流子屏蔽和快速猝灭效应的严重影响，尤其是在高温下。相反，具有收集电子态的固体能够以整体方式产生电子响应，其行为与单粒子激发完全不同。

电荷密度波( CDW )是固体中研究最多的集体电子态之一。与仅存在单粒子激发的普通金属不同，CDW材料也具有被称为振幅模式和相位模式的集体激发。振幅激发表现为光学声子，预计不会对电输运性质产生直接影响，而相位激发对应于CDW凝聚体的平移运动，并会对电荷输运性质产生显著影响。相位模式通常固定在有限的频率上。

【成果简介】

近日，来自北京大学的Dong Wu与王楠林教授（通讯作者）在Science Advances上发表文章，题为：Ultrabroadband photosensitivity from visible to terahertz at room temperature。作者表明，1T - TaS₂的CDW系统对直接从可见光到太赫兹的光非常敏感，室温下电流响应率约为~1 AW⁻¹。作者的发现为实现非制冷、超宽带和灵敏的光电子连续下降到太赫兹光谱范围开辟了一条新的途径。

【图文导读】

图1. 1T-TaS₂ RT NC-CDW相以及它的电子特性

(A) 层状结构示意图；

(B) 四探针电阻率与温度循环的关系；

(C) 用于光响应表征的双端器件示意图；

(D) 在室温下，在电压扫描上升和下降模式下测量的双端器件在黑暗下的I - V曲线；

图2. 在光照下的吸收光谱和电响应

(A) 1T-TaS₂晶体样品新切割表面的面内光吸收光谱；

(B) 电压扫描模式下器件直流电流的光响应；

(C) 阈值电压VT随入射光强度线性变化；

(D) 外加偏置0.71 V (左)和0.73 V (右)的电流切换效果，偏置值在( B )中标记为蓝色圆圈；

图3. 超宽带光响应

(A) 在初始暗态阈值下的应用电压值为1550 nm的电流响应；

(B) 在偏压0.72V下超宽带光响应测试；

图4.  通过脉冲激发研究时间光响应

(A) 上升和下降沿显示快速和慢速组件；

(B) 上升沿快速部件和短保持力的近距离观察；

【总结】

总而言之，作者已经证明了层状2D CDW系统1T-TaS₂对室温下的光非常敏感，具有从可见光到太赫兹光谱范围的超宽带光响应。揭示的特征与CDW状态固有的集体电子动力学有着直接的关系，其结果可能远远超出1T-TaS₂材料的范围。非致冷和超宽带光响应的优势使得这种2D硫属化物对于从实验和理论角度探索更有效的光电子，如新型存储器件、光电探测器和光谱学非常有吸引力。

文献链接：Ultrabroadband photosensitivity from visible to terahertz at room temperature, (Science Advances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aao3057)

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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