杨国伟教授/于鹏副教授团队在外尔半金属室温太赫兹探测方面取得重大突破

作为拓扑材料的重要成员，拓扑外尔半金属（WSMs）表现出非平凡的拓扑诱导现象，如负磁阻、手性反常、非线性光学性质和非线性霍尔效应，非常有利于开发低功耗和高稳定性的电子和光电子器件。目前，已发现大多数拓扑外尔半金属为3D结构化合物，如：TaAs、NbP、TaP等。由于3D材料具有超强的化学悬挂键进而导致难以切割的问题，使其与CMOS的集成受到了很大的限制。相比之下，2D拓扑外尔半金属不但具有非平凡的拓扑特征还具有2D结构诱导的与标准CMOS技术兼容的特性，因此，正成为具有实际应用前景的一组拓扑材料。另外，破缺反演对称性的WSMs在动量空间中还具有Berry曲率的单极子，进而赋予该类材料具有大位移光电流响应的发散体光伏效应。因此，具有与CMOS良好兼容性以及大光伏效应的2D WSMs有望成为从红外(IR)到太赫兹(THz)波段的有前途光电探测材料。

有鉴于此，中山大学杨国伟教授/于鹏副教授团队报道了一种基于II型WSM的THz探测器，即基于NbIrTe₄的器件，其光响应率为5.7×10⁴ V/W，探测率为2.9×10⁹ Jones，在室温下具有1年的空气稳定性，可与最好的室温 THz探测器相媲美。如此出色的THz探测性能归因于II型WSM的拓扑效应，其中Weyl锥的大倾斜角可以降低光生电子的有效质量，从而进一步提高迁移率和光响应率。另外，该器件还显示出巨大的本征各向异性电导(σ_max⁄σ_min=339)和THz响应(I_phmax/I_phmin=40.9)。本文的研究结果通过探索基于II型WSM的器件，为实现非制冷和高灵敏度的THz探测器开辟了一条新途径。同时，本工作绕过太赫兹间隙的技术瓶颈提供了一种可行的方法，也表明NbIrTe₄是一种很有前途的室温太赫兹探测材料，可用于图像传感、通信、环境监测、远程控制等各种应用。

相关成果以“Colossal Room-Temperature Terahertz Topological Response in Type-II Weyl Semimetal NbIrTe₄”为题发表在国际材料顶级期刊Advanced Materials上，第一作者：张健添（我院在读博士生）、张天宁（新加坡南洋理工大学博士后）和燕罗（电子科技大学在读博士生），通讯作者：童劲超（新加坡南洋理工大学研究员）、周柳江（电子科技大学教授）和于鹏。中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金以及光电材料与技术国家重点实验室重点培育基金的大力支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204621 

图1. 基于NbIrTe₄薄片的光响应。（a）用于确定光响应的实验装置的示意图。（b）在暴露于环境大气1年前后，在0.1 THz激光照射下光响应与偏置电压的关系。（c）在0.1 V偏置电压下，不同光照下的响应率、NEP、探测率和响应时间。（d）不同2D材料在THz波段的RT响应率和探测率比较。

图2. 光响应的理论计算。（a）布里渊区NbIrTe₄计算的能带结构。（b）在Weyl节点附近计算的NbIrTe₄的3D能带结构。（c）动量空间中一对Weyl锥的选择定则和光响应的示意图。（d）在1064 nm、2.94 μm和THz辐照下计算的NbIrTe₄的最高带间跃迁偶极矩。

初审：袁湛楠

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军