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光電探測器(PDs)是現代通信與傳感系統的關鍵元件，利用光電或光熱等效應將光信號轉化為電信號。半金屬是指導帶和價帶之間相隔很窄的材料，能帶寬度介于金屬和半導體之間，費米能級附近電子的態(tài)密度接近于零，沒有帶隙。

在可見光和近紅外波段，利用半導體材料制作高性能、低成本、集成程度高的PDs的技術已經成熟，但是可應用于光子能量較低的中遠紅外波段的PDs仍面臨許多挑戰(zhàn)。

近日，來自天津大學、耶魯大學、卡耐基梅隆大學等的研究人員，在 Nature Materials 上發(fā)表了關于半金屬材料高性能光電探測的“Perspective”型文章，指出半金屬材料在低能、高速光電探測中具有獨特優(yōu)勢，但也存在具有較高暗電流噪聲的缺陷。作者展望了利用石墨烯等半金屬拓撲材料解決這一問題的前景，總結了近期的相關進展，也討論了未來的機遇和挑戰(zhàn)。

研究背景

在可見光和近紅外波段，利用硅、鍺等元素半導體和砷化鎵、磷化銦等化合物半導體，高性能、低成本、集成程度高的PDs的技術已經成熟。但是可應用于光子能量較低的中遠紅外波段的PDs仍面臨許多挑戰(zhàn)，限制了它在自動駕駛、夜間成像、氣體傳感、運動檢測等領域的應用?，F有的商用中紅外光電探測器存在著成本高、難以集成、室溫不可用或探測速度慢等問題。目前，需要高速、高靈敏度、易于集成、室溫可用的PDs以應對高通量紅外光譜儀、高速成像等中紅外乃至太赫茲波段光電探測的需求。

PDs根據原理分為光電效應類探測器(photon-typedetectors)和光熱效應類探測器(thermal-type detectors)。前者的原理基于光激發(fā)電子-空穴對的直接產生，后者的原理基于熱載流子對電子和晶格溫度的改變。

一般來說，光熱效應類探測器波長不敏感，響應速度慢，成本較低；光電效應類探測器信噪比高，響應速度快，但價格較貴，且通常需要低溫冷卻以減少熱產生的載流子，因此存在體積大、耗電量大、器件脆弱的弊端。

所以，如何開發(fā)高性能、低能量、無需低溫冷卻的光子探測器仍是一個挑戰(zhàn)。半金屬材料在超快操作下實現高靈敏度、低能量光電探測中具有獨特優(yōu)勢。

圖1 半導體和半金屬PDs的對比。

a.反向偏置下的的PIN光電二極管；b.半導體中光生載流子的產生與復合；c.基于半金屬材料的叉指型場效應管；d.半金屬重疊帶隙內光生載流子的產生與復合，通過電子-電子散射可達到ps量級。

圖源：Semimetalsfor high-performance photodetection (Fig. 2)

半金屬與半導體的比較

圖1對比了半金屬和半導體PDs的工作機制和材料的能帶中光生載流子的產生與符合方式。由于半金屬材料沒有帶隙，光子能量可探測范圍可達到低能端。半金屬重疊帶隙內光生載流子的產生與復合，可通過電子-電子散射可達到ps量級，從而提高半金屬探測器的運行速度。

但無帶隙結構使半金屬室溫下暗電流噪聲較大，PDs需要在無偏置模式下工作來降低暗電流(如圖1c所示)，只能通過其他效率較低的機制來實現電荷分離，如內置電場、光熱電（PTE）效應或光登伯（photo-Dember）效應。半金屬中光生載流子短暫的瞬態(tài)壽命進一步加劇了電荷分離問題，使光探測響應率較低。因此，半金屬材料對快速的電荷分離機制有強烈需求。

半金屬光電探測器的發(fā)展

由于半金屬材料外加偏置電壓后有較高的暗電流，降低探測靈敏度，所以它們并不是傳統觀點中認為的可以用作光電探測的材料。但是，十年前研究人員提出的石墨烯場效應晶體管PD證明了在寬波長范圍內使用金屬材料進行高速探測的可行性。在此之后，大量關于半金屬光電探測的研究涌現出來，展現了半金屬材料下至遠紅外光譜范圍的寬帶光響應能力和極快響應速度，解決了PDs在該波段的探測困難。

石墨烯與CMOS工藝兼容，可與柔性電子集成，并可與其他材料混合集成。但是能帶結構和無偏置模式限制了石墨烯PDs的響應率。除了響應率，PDs的靈敏度還與噪聲電流和量子效率（QE）相關。拓撲半金屬材料的應用是近期關于提高半金屬PDs響應率的研究熱點。拓撲半金屬材料是指有拓撲非常規(guī)電子能帶結構的非金屬材料。一種直接的方法是用3D Dirac半金屬，如Cd3As2，代替石墨烯（2D Dirac半金屬），在不損失寬帶響應和超高速的前提下改善響應率。

拓撲結構與光電探測

拓撲Weyl半金屬是可以顯著增強PDs光電響應的拓撲半金屬材料之一。其承載的Weyl費米子沿著與自旋矩平行或反平行的方向運動，可以看作由四重簡并的狄拉克費米子退簡并為兩個手性相反的二重簡并態(tài)。Weyl費米子的能量與動量成正比，在能量動量空間中形成了一個錐形結構。

拓撲半金屬的一些拓撲效應可以極大改善PDs的光響應。以Weyl半金屬為例，這些材料承載沿與自旋力矩平行或反平行的方向傳播的Weyl費米子，定義了一個特定的Weyl錐的手性。Weyl費米子的能量與其動量成正比，形成錐形能量動量空間中的結構（圖2a）。最重要的是，每個手性Weyl節(jié)點都可以看作是Berry通量場的“單極子”，是動量空間中的有效磁場（圖2b）。這些磁單極子直接影響電子運動并導致了光學響應中各種有趣的拓撲效應。如與移位電流響應有關的效應，由非中心對稱材料的帶間光激發(fā)過程中電荷中心的位移引起，固有地構成與半導體PN結不同的產生光電流的方式。在半導體PN結中，內置電場分離電子和空穴。而Weyl半金屬仲電荷中心的位移可以表示為Berry連接的變化，產生Berry通量場和速度算子相位的矢量勢，以及相應的電導率張量在Weyl節(jié)點附近被激發(fā)時會大大增強（圖2c）。最近，這種拓撲增強效應已在I型TaAs和II型TaIrTe4中得到了實驗驗證。

圖2 Weyl半金屬中位移電流響應的拓撲增強

圖源：Semimetalsfor high-performance photodetection (Fig. 3)

在低功率下獲得的大響應度表明，由于位移電流響應而引起的電荷分離機制非常有效。該機制固有的超快特性，可用于克服半金屬PDs中低響應率的問題。但是，由設備中的勢壘引起的開啟閾值可能成為限制檢測能力的另一個問題。

技術與挑戰(zhàn)

拓撲半金屬PDs面臨的技術挑戰(zhàn)首先是如何確定理想的光電探測材料。高性能的器件依賴于高質量的材料增長，但拓撲半金屬仍然難以生產，它們與CMOS晶片的兼容也是一個問題。其次是從器件設計者的角度，器件設計中需要特別考慮無外部電壓偏置和拓撲效應的影響。第三是片上拓撲集成，集成不再是簡單地將多個設備的現有功能疊加到一起，更重要的是產生以前不存在的功能。

拓撲效應增強光電探測的機遇

半金屬拓撲物理是未來解決低能量光電探測瓶頸的有效途徑。拓撲材料中的對稱性也可以通過對其邊緣和界面的設計加以利用。另外可能的手段是使用邊界狀態(tài)進一步增強邊界上光與物質的相互作用。此外，拓撲效應可能提供對特定量子自由度的控制，如與手性相關的Weyl錐的圓形選擇規(guī)則有助于區(qū)分光的螺旋性，從而實現對Weyl半金屬和手性費米子材料螺旋敏感的PDs。

作為一個新興領域，半金屬的拓撲效應為光電探測提供了一個鼓舞人心的平臺。手性，量子幾何效應和表面態(tài)與非常規(guī)量子自由度的相互作用可以產生許多有趣的光學效應。范德華材料的堆疊為半金屬材料提供了額外的自由度。圖3中列舉了其中幾種半金屬PDs的發(fā)展機遇。隨著人們對通過拓撲增強Weyl半金屬的位移電流響應的關注，可以預見光電檢測關鍵問題的拓撲解決方案，而這可能會成為拓撲物理的早期商業(yè)應用，讓我們拭目以待。