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  近日,北京理工大学物理学院姚裕贵教授、王钦生特别副研究员及团队成员,同北京大学量子材料中心孙栋研究员等合作者,在第二类外尔半金属材料WTe2光电响应研究方面取得重要进展。他们利用扫描光电流谱方法对第二类外尔半金属材料WTe2光电响应进行了系统的研究,发现在该材料边界处具有反常的光电流响应(图1),并且边界对称性的高低决定了该反常光电流响应的有无。该工作提出了利用材料低对称性边界的晶体场作为光生电子-空穴对分离的有效手段,并讨论了拓扑边缘态对于光电响应的可能影响,为拓扑半金属材料在光电探测等方面的应用提供了新的思路。相关成果最近发表在Nature Communications上。

图1 WTe2器件的边缘光电流响应

  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。爲了有效分離光生電子-空穴對,即産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爲光電響應材料,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爲用于寬波段光電探測器的理想材料,並且理論研究表明外爾點附近的貝裏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。

  该研究团队利用扫描光电流谱的方法研究了第二类外尔半金属碲化钨WTe2的光电流响应行为,发现虽然WTe2体材料中面内光电流响应受到材料晶体对称性限制而消失,但是WTe2样品的特定边界在宽光谱范围激发下(532nm~10.6um)都存在边界光电流响应。通过对WTe2扫描光电流谱结果系统地研究表明,光电流只在对称性较低的边界处存在,而在非边界区域及高对称边界没有光电流响应产生。这证明可以通过边界破坏限制光电流产生的晶体对称性,从而在样品边界处产生光电流。结合Shockley-Ramo 理论(对于半金属材料,器件的宏观光电流响应由局域光电流及器件虚拟电场分布共同决定),通过分析边界处局域光电流分布及虚拟电场分布,成功解释了这一光电流响应的机制。另外,外尔半金属材料的边界处具有非平庸的费米弧型表面态,而WTe2中拓扑表面态也只存在于对称性较低的边界,因此虽然晶体边界对称性可以解释边界光电流的产生,非平庸的拓扑表面态在边界光电流产生中的作用,以及局域光电流产生的微观机制仍值得仔细研究,该工作基于这些考虑初步讨论拓扑表面态对边界光电流响应的可能影响。该工作系统地研究了晶体对称性破缺对材料光电响应中产生的重要作用,并指出利用拓扑边缘态增强边界光电流响应的可能性,为设计基于外尔半金属材料的新型光电探测器提供了新的思路。该工作发表在Nature Communications 10, 5736 (2019)。

  该工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划、中国科学院战略先导计划、北京市自然科学基金和北京理工大学青年教师学术启动计划的支持。研究团队特别感谢密歇根大学Sun Kai教授,北京大学贾爽研究员、陈剑豪研究员,中科院物理所石友国研究员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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