本站讯(通讯员 刘晶) 近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院微纳测试课题组刘晶副教授以“天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室，精密仪器与光电子工程学院”为第一单位，与合作者美国耶鲁大学Fengnian Xia教授、美国卡耐基梅隆大学Di Xiao教授、西班牙巴塞罗那科学与技术学院F.Javier García de Abajo教授和北京大学孙栋教授，在国际刊物《自然-材料》（Nature Materials）上发表前瞻性文章，介绍基于半金属拓扑材料的高性能中远红外光电探测的挑战和机遇。

光电探测器是现代通信和传感系统中重要的光电子器件，与我们的日常生活息息相关。在可见光和近红外光波段，基于第一代和第二代半导体材料技术与工艺的商用光电探测器已经实现了高性能、高集成度和低廉的制造成本。目前，光电探测器的主要瓶颈在于探测中远红外波段的电磁辐射。虽然该波段的光电探测器在诸多关键应用领域有广泛的应用，如自动驾驶、夜视仪、精确运动感应、遥感，无损检测等等，但是现有的商用中远红外探测器要么制造成本高，难以实现高集成度，需要在低温下运行，要么响应速度非常慢，难以满足新涌现出来的应用需求，如高通量红外光谱仪和高速成像系统等。

目前中长波光电探测的技术瓶颈主要受困于半导体材料的固有局限。中长波低能量光子的探测依赖于窄带隙半导体材料，而带隙的减小带来了室温下暗噪声的困扰。近十年来，科研人员尝试使用半金属材料替代窄带半导体材料用于中长波的光电探测，在低能耗，宽谱，高速响应等诸多方面展示了半导体材料无可比拟的优势。但是基于半金属材料的光电探测器为了避免暗电流需要在无偏置条件下工作，一直存在响应度低的关键性能缺陷，限制了其进一步发展。

图一：半导体vs.半金属光电探测。a. 偏置条件下的半导体PIN探测器，只有当光子能量大于带隙时光子可以被吸收并被探测到。b.半导体材料中光生载流子的产生和复合。典型的电子空穴复合时间在纳秒量级。c.基于半金属的无偏置插指电极探测器。因为没有带隙，对于吸收和探测光的波长没有限制。D. 半金属材料中光生载流子的产生和复合。因为可以通过电子电子散射复合，典型的复合时间在皮秒量级。

开发高性能光电探测器一直是刘晶课题组的重要研究方向。近些年，该课题组将二维层状纳米半导体、半金属材料应用于光电探测领域，并通过构建新型器件结构等方法，大大提高了探测器的响应度。这些工作为基于拓扑半金属的光电探测器打下了基础。在这篇刚发表在《自然-材料》的文章中，刘晶和合作者分析探讨了半导体材料和半金属材料作为光电探测材料的优势和局限，总结了过去十多年时间里，基于半金属材料的光电探测方面取得的进展并重点论述了仍待解决的关键问题及其背后的物理原因。文章的重点是论述通过引入拓扑半金属材料和拓扑效应到光电探测对中长波光电探测器领域可能带来的改变，详细分析了拓扑光电探测领域在去年取得关键突破之后，未来需要解决的关键问题和难点，并展望了未来在新材料，新器件结构中利用特殊的拓扑效应来解决这些问题的技术路径，为“拓扑光电探测”这个领域的未来研究工作描绘了的充满希望的发展前景。

图二：基于半金属的光电探测器未来发展机遇。利用新的拓扑材料，设备结构，拓扑效应和量子自由度（从左到右，从上到下）进一步的提升基于半金属的光电探测器的性能。每个面板中均列出了示例性可能性，其中一些可能性放置在两个面板的边界以指示联合可能性。

该前瞻性文章于2020年7月6日在线发表在Nature Materials网站(https://www.nature.com/articles/s41563-020-0715-7 DIO: 10.1038/s41563-020-0715-7)。这项工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。

（编辑 焦徳芳 倪侃）