CN110718603A - 基于外尔半金属贝里曲率增强的高灵敏中红外光探测器 - Google Patents
基于外尔半金属贝里曲率增强的高灵敏中红外光探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于外尔半金属贝里曲率增强的高灵敏中红外光探测器，包括基底，基底表面具有绝缘层，绝缘层上设置厚度小于100nm的外尔半金属纳米片，在外尔半金属纳米片的两端分别设有第一金属电极和第二金属电极，所述外尔半金属纳米片与金属电极形成欧姆接触。该探测器利用外尔半金属能带结构中外尔点附近的发散的贝利曲率，通过材料体系的制备特征实现位移电流在特定波段的增强，获得巨大光电流响应，可广泛应用于红外成像、军事侦察、夜视镜等领域，有利于探测器的微型化和经济化。
Description
技术领域
本发明涉及光探测器及光电探测技术领域，具体涉及一种利用外尔半金属能带结构中外尔点附近的发散的贝利曲率，通过材料体系的制备特征，实现位移电流在特定波段的增强，以获得该波段的巨大光电流响应的光探测器。
背景技术
光探测器是一种将光信号转化为电信号的装置，能够将发光物体进行探测和成像，广泛运用于成像系统、军事侦探、森林防火、卫星遥感和远程通信等领域。光探测器一般利用半导体材料的光电导效应制成的光电转换器件。所谓光电导效应，是指半导体材料在吸收光辐射后材料的电导发生改变的一种物理现象。半导体材料的禁带宽度决定了光探测器的光探测波长范围。光子的能量只有大于半导体的禁带宽度时，半导体才会吸收光子产生电子空穴对，从而改变半导体材料的电导，产生光响应。所以半导体探测器只对某一特定波段的光信号有探测能力。
红外光电探测器件在军事、民用和科学研究方面具有非常重要的应用。在红外光探测方面，以碲镉汞、硒化铅等为代表的材料由于自身的诸多优点在红外光电探测器的发展中起到了至关重要的作用，至今仍然是重要的战略战术应用中首选的材料体系。然而，由于碲镉汞等材料需要在低温环境(如液态氮降温)下才可以正常工作，硒化铅等材料需要施加偏置电压(电池甚至于市电供电)才能够正常工作，因此，他们的使用受到了很大程度的限制。
近年来，凝聚态物理领域的研究，拓宽了具有中红外探测潜力的材料的门类。譬如较早发现而被深入研究的零带隙二维材料石墨烯，由于其优异的电学和光学性能，如高导电率、高电子迁移率、高导热率、高硬度等特点，使得石墨烯成为一种常见的宽光谱光探测器材料。但是，由于石墨烯较低的光吸收率及极短的光生载流子寿命等性质，限制了它在光探测方面的应用。
材料体系按照其电子能带结构的不同，可以划分为金属、半导体和绝缘体。前者存在半满能带而具有能够导电的自由电子，后两者则不存在半满的能带，填充电子的最高能带称为价带，无电子填充的最低能带称为导带，按照导带与价带的能隙大小对半导体和绝缘体进一步区分。近年来的研究表明，绝缘体可以进一步细分为平庸绝缘体和拓扑绝缘体，表现出完全不一样的量子现象与物性。拓扑绝缘体的一个重要特性是，小的微扰对其拓扑不会有影响，这就使得人们可以定义绝缘体的拓扑性质(也就是说，只要这个微扰不关闭绝缘体的能隙，绝缘体的拓扑性质就不会发生改变)。近年来人们发现了另一类特别的材料体系，它们的低能激发可以用粒子物理中的2分量狄拉克方程即外尔方程来描述，且能隙为零，因此这类材料体系被称为外尔半金属。外尔半金属同样具有拓扑非平庸行为，只要微扰不打开能隙，拓扑性质不发生改变。这些新奇的量子效应将为这些新材料带来诸多意想不到的新功能。
对于具有平移对称性的晶格结构来说，其电子波函数表现为布洛赫波，其基态的性质可以由贝里曲率加以刻画。外尔半金属能带结构中导带和价带交叉的位置称作外尔点，外尔点附近的贝里曲率具有发散的特征，形成较大的非线性极化率张量元，使得这一类材料表现出很强的非线性效应，尤其是可以对相关非线性光学过程产生的宏观效应实现显著的增强。具体而言，在外尔点附近由光激发所产生的位移电流，会获得极大的增强。同时，由于外尔点附近具有此种增强的范围很小，对应的导带和价带距离也就很小，相应的跃迁均发生于中红外波段，故此这种光电响应的增强主要也体现于该波长范围。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，并基于凝聚态领域对新兴材料的研究，本发明提出了一种基于外尔半金属材料体系，利用外尔点附近发散的贝里曲率进行非线性光学效应的增强，适用于中红外波段的高灵敏光探测器。
本发明的技术方案如下：
一种中红外光探测器，包括基底，所述基底表面具有绝缘层，其上设置厚度小于100nm的外尔半金属纳米片，在外尔半金属纳米片的两端分别设有第一金属电极和第二金属电极，所述外尔半金属纳米片与金属电极形成欧姆接触。
上述中红外光探测器中，所述外尔半金属纳米片的材料优选为第二类外尔半金属，例如钽铱碲(化学式TaIrTe4)、二碲化钼(化学式MoTe2)等。在本发明的一个实施例中，基于第二类外尔半金属钽铱碲材料制作的光探测器原型器件，针对4微米波长区域，对弱光信号具有强烈的各向异性响应。
基于不同的外尔半金属材料的光探测器获得最强响应时的激发光波长不同。对于第二类外尔半金属，这种强响应基于非线性光学效应的结果，由非线性极化率表征其在光电场下获得电信号的能力。当激发光的光子能量与该材料中外尔点和费米面的距离相仿时，非线性极化率达到峰值，此时即对应了该探测器的最佳波长(Yang,X.,Burch,K.&Ran,Y.Divergent bulkphotovoltaic effect in Weyl semimetals.Preprint at https://arxiv.org/abs/1712.09363v2(2017))。同时，在外尔半金属材料生长过程中产生的掺杂条件和实验时施加的栅极电压，都可以实现对费米面的连续调控，进而改变产生峰值响应时的入射波长。
根据所探测光束的大小不同，上述中红外光探测器中的金属电极结构也不同。当使用的外尔半金属为二维层状材料时，通过机械剥离法获得制作器件的材料，器件尺寸多为几十微米。如果探测的光束比较小，譬如聚焦后直径为十微米量级的光束，只覆盖探测器的一端，则两个金属电极可使用相同的金属材料；如果探测光束比较大，譬如直径在百微米以上的光束，覆盖探测器的两端，则两个电极采用的金属材料需具有不同的功函数。第一金属电极和第二金属电极可以简单地采用单层的导电金属，例如Au、Al或Cu；也可以将导电金属层形成于过渡金属层的表面，形成双层金属的电极结构，利用过渡金属层的晶格适配作用，使导电金属层更牢固的粘在基底的表面上。
通过外部的检测电路连接第一金属电极和第二金属电极，检测特定波长的入射光入射所述光探测器后产生的光电路。检测电路主要包括前置放大器和电流计，前置放大器将光电流进行放大，并由电流计检测放大后的光电流。如果光电流仍然比较小，则检测电路还应包括锁相放大器和光学斩波器，锁相放大器基于光学斩波器对激发光进行调制的频率，对经过前置放大器放大的光电流进行进一步地提取和放大。
光电流产生原理
当特定波长的入射光入射到半导体材料后，不考虑非线性效应产生的多光子吸收等几率较低的过程，只有光子的能量大于半导体的禁带宽度时，半导体才会吸收光子产生电子空穴对，提供形成光电流所必需的光生载流子。
本发明的中红外光探测器中，当外尔半金属纳米片与金属电极形成欧姆接触时，由于金属电极和纳米片的能带结构，尤其是功函数不同，必然会通过载流子的重新分布使得金属电极和纳米片的费米能级调整到同一水平上；一开始，由于金属电极费米能级较低，纳米片中的电子必定流向金属电极，从而在纳米片的表面留下电离施主，与金属电极表面的负电荷之间形成内建电场，方向指向金属电极；内建电场的作用使得接触面附近的能带发生弯曲，结果在纳米片表面和金属电极之间形成了高度为功函数之差的接触电势，其提供的内建电场驱动光生载流子流动并通过电极由外部电路收集。
若光束直径较大，同时覆盖两侧的电极接触位置时，由于第一金属电极的功函数大于第二金属电极的功函数，第一金属电极与第二金属电极和纳米片之间的接触电势也有所不同，因此，从第一金属电极到第二金属电极之间也形成了一个电势差，使得光生载流子得以向同一方向定向移动，从而产生光生电流。第二类外尔半金属作为零带隙材料，探测光谱范围可以达到中红外波段，探测时既不需要施加偏压，亦不需要进行降温，即可以得到相当可观的光电流响应。
本发明的有益技术效果主要体现在以下几方面：
1、低功率灵敏响应
外尔半金属显著的特点为外尔点附近发散的贝里曲率，会形成较大的非线性极化率张量元，进而使得这一类材料表现出很强的非线性光学效应，进而形成很强的光电流响应，主要是来自于二阶非线性光学效应产生的位移电流。一般而言，由于光探测器有一定的使用温度，并且探测器材料有一定的掺杂，外尔点附近的发散行为会随着激发光频率的改变出现截断，并在中红外波段的某一波长附近产生响应的极大值。
例如实施例给出的钽铱碲光探测器原型器件，由于属于第二类外尔半金属，当温度为0K，材料无掺杂时，发生在外尔点附近的光激发所产生的位移电流，会随着激发光波长的增大而增大，进而产生发散的行为；而在室温测量和所用钽铱碲材料的空穴掺杂下，这种发散行为截断于4微米波长附近，形成非线性极化率张量元的极大值点，造成很强的光响应。
受制于外尔点附近可用于激发的态密度和半导体-金属接触的响应速度，这一灵敏的响应过程较容易随功率的增大而达到饱和。本发明给出的具体光探测器实施例的强烈的光响应恰好能够应用于较低的功率条件下，甚至达到数百纳瓦量级的信号探测，适合进行4微米波长附近的弱信号的光电探测应用。需要注意的是，这种灵敏响应是在半金属无偏压无增益的条件下进行测量的，故通过对原型器件的优化，基于第二类外尔半金属的光探测器对4微米波段弱信号的探测还有很大的提升潜力。
2、强各向异性响应
探测器采用的外尔半金属是二维层状晶体。对于一般的二维层状晶体而言，层与层之间以范德瓦尔斯力相连接，而每层内部的原子之间以更紧密的化学键连接，每个原子以平衡位置为中心按照诸多特有的模式进行简谐振动。
一个原子层内部具有两个特征方向，在沿着原子链和垂直于原子链的不同方向上，晶格振动具有不同模式和特点；而偏振光具有特定方向的电场和磁场。当偏振光垂直入射到纳米片表面时，其电场，即偏振方向，处于原子层面内；且光的偏振方向改变时，电场方向和原子链方向的夹角也随之改变，则电场方向和晶格振动方向的夹角改变，其耦合作用发生变化，直接影响到光的吸收率，从而影响到光生电流的大小。
特别地，对于外尔半金属这一类材料，外尔点附近具有发散的贝里曲率，产生很大的三阶非线性张量，造成了强烈的二阶非线性光学效应。而通过计算可以得出，沿着半金属材料的两个特征方向上，其三阶非线性张量的差异很大，在低功率下该差异的影响尤为突出。实施例的钽铱碲原型器件测试中，由4微米激发光辐照器件表面时，通过热电或光电导效应形成的光电流会在器件中贡献直流电场分量，这也成为外尔点附近发生二阶非线性光学效应的基础。通过对原型器件进行各向异性测试，即以不同偏振方向的线偏振光进行激发，其长短轴的光电流信号比值随着功率降低而不断升高，并在数百纳瓦以下，实现了无穷大的长短轴响应比。
3、探测条件广泛性
外尔半金属作为零带隙材料，在合适的费米面水平下，能够受到各种波段激光的激发，故而对于其他波长同样具有光电响应，探测光谱范围广；同时工作温度范围广，在室温和低温下均具有灵敏的响应度，并在低温下表现出更强的响应能力；不需要提供偏置电压即可产生相当高的光电流响应，并且暗电流非常低；对偏振光方向敏感，可以用于偏振探测。本发明的探测器可用于红外成像、军事侦察、夜视镜等领域，在军用设备方面有着广阔的应用前景，尤其是以上各利好有利于探测器的微型化和经济化。
附图说明
图1为本发明实施例给出的基于外尔半金属的光探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例给出的基于外尔半金属的光探测器外接检测电路的结构框图；
图3为本发明实施例给出的基于外尔半金属钽铱碲光探测器在不同功率的入射光激发下产生的光电流的强度数据图；
图4为本发明实施例给出的基于外尔半金属钽铱碲光探测器在几个入射光功率下探测到的各向异性光电流响应数据图；
图5为本发明实施例给出的基于外尔半金属钽铱碲光探测器由两路偏振方向彼此垂直的线偏振入射光激发产生的光电流比值数据图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
本实施例为基于第二类外尔半金属钽铱碲材料的，针对中红外4微米波长区域，对弱光信号非常灵敏的，具有强烈各向异性响应的光探测器原型器件。
如图1所示，本实施例的基于外尔半金属的光探测器包括：基底1、外尔半金属纳米片2、第一金属电极3和第二金属电极4；其中，在基底1不导电的表面上设置外尔半金属纳米片2；在外尔半金属纳米片2的两端分别设置第一金属电极3和第二金属电极4；第一和第二金属电极分别连接至外部的检测电路A。
在本实施例中，基底1包括高掺杂硅导电层和位于其上的绝缘层，绝缘层为二氧化硅SiO2，高掺杂硅导电层采用P型掺杂或N型掺杂；第一金属电极3和第二金属电极4各自包括两层金属，下层过渡金属层为Ti，厚度5～10nm，上层导电金属层为Au，厚度100～300nm。外尔半金属纳米片2的材料为钽铱碲，长约35.0微米，宽约16.6微米，厚约40纳米。
外部的检测电路如图2所示，包括：前置放大器、锁相放大器、光学斩波器和电流计；前置放大器将电光电流进行放大，锁相放大器基于光学斩波器的频率对经过前置放大器放大的光电流进行进一步地放大，经电流计检测放大后的光电流。
在不同功率的4微米波长入射光照射的情况下产生的光电流的数据图见图3。在较高功率段(约1.5微瓦以上)，光探测器的光电流随着激光功率的增加而线性增大，线性响应在科研等领域需要精确探测光强度的应用中十分重要，便于校准，本段光功率每增加1瓦，响应电流增强21.7微安；在较低功率段(约1.5微瓦以下)，光探测器则表现出了很高的灵敏度，本段最高的响应度可以达到约36.5毫安每瓦，比高功率段超出3个量级，适于微弱信号的探测。
由不同功率的4微米波长激光激发，并对激光光束的线偏振方向进行360度旋转时，观测到的光电流响应数据图如图4所示，电流响应强度呈现明显的周期性变化。图中所示的激发功率分别为300纳瓦(信号放大12倍)、1.1微瓦(信号放大2倍)和1毫瓦，可以明显看出，随着功率降低，两个垂直的偏振方向的入射光产生的光电流差异越大，即光电流响应的各向异性更强。这一特性可以应用于探测偏振光的偏振方向。要实现这一功能，需要利用X射线衍射或拉曼散射等方法确定所用外尔半金属晶格中的原子链的方向，从而确定被探测光的偏振方向和该探测器之间角度的对应关系。另外，由于不同偏振入射时器件的功率依赖光电流响应行为有所不同，光的偏振探测功能和强度探测功能不同时进行。
在不同功率的4微米波长激光激发条件下，入射光偏振方向分别沿外尔半金属纳米片材料的短轴和长轴时观测到的光电流的比值如图5所示。这里，因为以长轴响应除以短轴响应会造成比值的数值发散至无穷，为避免作图不便，采用短轴响应除以长轴响应。从图5可以直接看出，在激发光功率在400纳瓦以下时，短轴响应基本到达阈值而消失，长轴仍然具有可观的光电流响应，显示出了极强的各向异性光电流响应。
Claims (8)
1.一种中红外光探测器，包括基底，所述基底表面具有绝缘层，其特征在于，所述绝缘层上设置厚度小于100nm的外尔半金属纳米片，在外尔半金属纳米片的两端分别设有第一金属电极和第二金属电极，所述外尔半金属纳米片与金属电极形成欧姆接触。
2.如权利要求1所述的中红外光探测器，其特征在于，所述外尔半金属纳米片的材料为第二类外尔半金属。
3.如权利要求2所述的中红外光探测器，其特征在于，所述外尔半金属纳米片的材料为钽铱碲或二碲化钼。
4.如权利要求1所述的中红外光探测器，其特征在于，所述外尔半金属纳米片为二维层状材料。
5.如权利要求1所述的中红外光探测器，其特征在于，当探测的光束较小，只覆盖所述探测器的一端时，所述第一金属电极和第二金属电极的材料相同或不同；当探测的光束较大，覆盖所述探测器的两端时，所述第一金属电极和第二金属电极的材料具有不同的功函数。
6.如权利要求1所述的中红外光探测器，其特征在于，所述第一金属电极和第二金属电极为单层的导电金属，或者是过渡金属层和导电金属层形成的双层金属电极结构。
7.如权利要求1所述的中红外光探测器，其特征在于，所述第一金属电极和第二金属电极连接外部的检测电路，所述检测电路包括前置放大器和电流计，前置放大器将光电流进行放大，并由电流计检测放大后的光电流。
8.如权利要求7所述的中红外光探测器，其特征在于，所述检测电路还包括锁相放大器和光学斩波器，锁相放大器基于光学斩波器对激发光进行调制的频率，对经过前置放大器放大的光电流进行进一步地提取和放大。
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