上海技物所在超灵敏室温极值光电响应研究方面取得突破

近日，上海技物所红外科学与技术全国重点实验室黄志明、褚君浩研究员团队创新性地利用电磁诱导势阱（EIW）效应和激子绝缘体（EI）相变实现了针对室温条件优化的光电响应极值，在太赫兹波段表现出相较传统商用高莱管探测器比探测率数量级提升的室温高性能响应。通过激子绝缘体相变与能带工程的协同调控，为开发室温高性能光电探测器提供了全新范式。相关成果发表在《Light: Science & Applications》期刊。

室温光电探测在成像、量子信息、通信及可穿戴电子设备等诸多领域展现出极其重要且广泛的应用前景。在探测技术发展过程中，具有相变特性的材料始终是探测器研究的核心关注对象。针对室温条件优化的高灵敏度光电探测技术研究对推动室温光电子技术的发展具有决定性意义。

研究团队通过变温拉曼光谱表征了EI相变下Ta2NiSe5的晶格畸变（图1a），并通过变温电学研究得到了Ta2NiSe5在相变温度326 K后电阻温度系数α值从-1.3 %至-2.5 %的突变（图1b）。变温霍尔表征进一步展现了Ta2NiSe5由于激子凝聚作用在相变后的载流子浓度快速下降和迁移率的快速上升（图1c和d）。研究团队对器件的变温光电响应特性展开研究，利用EIW效应和EI相变下的输运性质突变，实现了与理论推导相吻合的太赫兹波段不寻常的室温极值光电响应（图2）。通过对器件变温噪声和变温响应时间的研究，进一步确定了室温为器件的最佳工作区间。相关研究结果证明了Ta2NiSe5是极具潜力的室温高灵敏探测候选材料。

团队搭建了基于Ta2NiSe5和WS2的Type I异质结，在降低暗电流的同时提升了器件的栅极调控能力。异质结器件在可见及红外波长表现出明显的光伏效应，在太赫兹波段实现了EIW效应和结效应协同作用下的光电响应。如图3所示，在太赫兹波段，该研究的Ta2NiSe5基探测器室温响应率、电子学带宽和D*均大幅优于商用器件和已报道的二维材料的太赫兹探测器。在可见光到红外波长，该研究的Ta2NiSe5基探测器的室温响应率优于商用红外探测器和已报道的二维材料探测器，与此同时，其室温电子学带宽相较大多数已报道的二维材料探测器有着明显提升。探测器的室温D*与已报道的Ta2NiSe5及WS2基二维材料探测器相比实现了1-2个数量级的进步，并可以媲美商用探测器的室温性能。

图1.Ta2NiSe5的激子绝缘体相变研究

图2.器件的室温极值光电响应

图3.研究成果与已报道工作的对比

红外科学与技术全国重点实验室吴吞炭博士为该论文的第一作者，黄志明研究员为该论文通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01701-0