上海理工大学Science Advances：金属-半金属界面热载流子光热电效应助力高灵敏度高速室温太赫兹探测器

近日，上海理工大学庄松林院士领导的太赫兹技术创新研究院朱亦鸣教授和郭旭光研究员在科学子刊《Science Advances》上以题为《金属-半金属界面热载流子介导的巨大室温太赫兹光热电响应》“Giant room-temperature terahertz photothermoelectric response mediated by hot carriers at the metal-semimetal interfaces”发表室温高速太赫兹探测器最新研究成果，该研究成功利用金属-半金属界面的热载流子光热电效应实现了在室温和零偏模式下的高灵敏快速响应太赫兹探测器及其太赫兹通信应用。朱亦鸣教授和郭旭光研究员为该论文的通讯作者；上海理工大学光电信息与计算机工程学院蔡苗博士为论文第一作者。

太赫兹探测器在众多技术领域都有广泛应用，如高速通信、实时成像、光谱学和传感。由于太赫兹波的光子能量与室温热能非常接近，这使得这一波段的非制冷光子型探测器极具挑战性。热探测器不受带隙限制，可以实现室温和宽光谱探测，在太赫兹波段具有优势。然而，传统热探测器响应速度慢、灵敏度低，限制了其应用范围。最近，人们发现二维材料中的热载流子光热电效应可以克服这些限制。在这种情况下，由于自由载流子的吸收，太赫兹能量转移到电子系统，而由于低能范围内电子-纵向光学（LO）声子散射较弱，能量弛豫到晶格系统的通道被阻断。此外，由于强电子-电子散射，电子子系统被热化，形成具有较高电子温度的稳态分布。如果电子系统通过自由载流子吸收太赫兹辐射而局部受热，则会形成温度梯度，热载流子将从热区扩散到冷区，进而产生快速的光热电响应。

在此背景下，PtSe₂作为一种层状二维过渡金属二卤化物（TMDC）材料，因其优异的性能，包括高载流子迁移率、随层数变化的间接带隙（0 ~ 1.2 eV）、宽带光吸收、强热电效应和优异的大气稳定性，成为研究热载流子效应太赫兹探测器的候选材料。值得注意的是，随着层数的增加，PtSe₂经历了从半导体（单层和双层）到半金属（≥ 三层）的转变。作为一种电子主导型热电材料，半金属 PtSe₂ 具有相当大的塞贝克系数，与石墨烯相比，它的热导率更低，有利于获得更强的热电响应。利用半金属 PtSe₂的热载流子光热电效应有望突破传统热探测器的性能瓶颈，实现非制冷高灵敏高速太赫兹探测器。

PtSe₂晶体具有典型的层状晶体结构，其不同原子层通过范德华力结合在一起(图 1A)。对于三层或更多层的 PtSe₂，其导带和价带间接重叠，成为半金属。图 1B 显示了多层半金属 PtSe₂的能带结构。PtSe₂的零带隙使其能够吸收宽带电磁辐射。在中、远红外和太赫兹波段，光吸收主要是通过带内自由载流子吸收实现的。在可见光和近红外波段，由于波矢量补偿较大，带内吸收效率较低，光吸收主要来自带间跃迁。太赫兹近场成像显示PtSe₂具有和 Au 接近的强太赫兹近场信号，反映了它的高载流子浓度(图 1C)。金属-PtSe₂器件的接触界面掺杂效应对于器件的光电响应至关重要。图 1E和图 1F所示为金属-半金属接触示意图和能带弯曲，由于 Au 和 PtSe₂的功函数不同，在金属-半金属界面上会发生净电荷转移，并产生内建电和耗尽区。基于 Silvaco-ATLAS 软件（TCAD 软件包）模拟获得了 Au-PtSe₂接触的载流子浓度分布和耗尽区宽度特征(图 1G)。由于金属-半金属界面的掺杂效应，金属-半金属界面区域附近电子浓度的变化导致塞贝克系数沿 PtSe₂沟道呈不均匀分布。

图1. 金属-半金属接触特性。（A）PtSe₂晶体结构示意图；（B）半金属PtSe₂能带结构；（C）样品原子力显微镜形貌图；（D）样品二阶（S₂）太赫兹近场散射成像；（E）金属-半金属接触示意图；（F）热平衡状态下金属-半金属接触能带图；（G）金属-半金属接触区域电子浓度分布的仿真结果。

在该研究中，作者设计了一种非对称领结天线集成的半金属 PtSe₂太赫兹探测器（图 2A），利用领结天线的馈电间隙局域场增强实现非对称局部太赫兹加热。图 2B为所设计的领结天线的馈电间隙频谱场增强因子。在 0.1 THz时，非对称领结天线的模拟表面电场分布（图 2B）显示出强的不对称性。图 2C 为所制备 PtSe₂器件的光学显微照片。由于太赫兹场在天线馈电间隙中的局域增强，金属-半金属界面附近的自由载流子通过带内自由载流子吸收被聚焦的太赫兹波加热（图 2D）。由于太赫兹光子能量较低，通过电子-LO 声子散射的能量弛豫通道被阻断，太赫兹能量主要转移到电子系统而不是晶格系统，导致太赫兹频段的强热载流子效应（图 2E）。考虑到太赫兹加热过程中电子温度（热载流子效应）和晶格温度之间的不平衡，采用了双温传热模型来分析非对称太赫兹光照下 PtSe₂沟道的热载流子温度分布。图 2F 显示了通过数值求解双温传热方程得到的电子和晶格沿 PtSe₂通道的温度分布。数值结果表明，电子温度 T_e的变化远大于晶格温度 T_p的变化，电子温度沿沟道呈现出明显的不对称分布。

图2.半金属PtSe₂的热载流子效应。（A）集成非对称领结天线的半金属PtSe₂太赫兹探测器示意图；（B）领结天线馈电间隙处表面平均电场强度随频率变化关系；（C）器件光学显微图像；（D）带内自由载流子吸收实现载流子热化的示意图；（E）热载流子效应机理图；（F）当太赫兹能量局域于金电极边缘0.5 μm宽区域时，源-漏电极间电子与晶格温度分布。

基于PtSe₂器件的静电和传热模拟，可以得到 PtSe₂器件在局域太赫兹加热下的热载流子光热电响应模型(图 3A)。根据该模型可以得到以下核心结论：1.界面金属掺杂效应对太赫兹光响应具有关键作用。2. 界面的载流子加热主导了驱动太赫兹光热电响应的有效温差。3. 当电子温度最高点与掺杂区边缘重合时，光响应达到最大值。因此，通过对器件沟道进行非对称太赫兹加热，特别是通过增强金属-半金属界面附近的太赫兹电场强度，可以实现较强的热载流子光热电响应。测试结果显示PtSe₂探测器在太赫兹频段具有优异的光电探测性能(图 3B-D)，其表现出0.62 A/W的高响应度、19.6 pW/Hz^1/2的低噪声等效功率。响应速度测量显示PtSe₂探测器具有4.5 ns的超快响应速度，这与双温度模型确定的响应时间一致，反映了PtSe₂在太赫兹频段的强热载流子效应导致的固有的快速响应特性(图 3E和图 3F)。图 3G 显示PtSe₂探测器光电流具有良好的线性功率依赖性。图 3H为PtSe₂探测器与已报道的室温太赫兹探测器的性能对比。

图3. PtSe₂器件的太赫兹热载流子光热电响应。（A）热载流子光热电响应模型；（B）PtSe₂器件的零偏压太赫兹光电流谱；（C）光电流响应度谱；（D）NEP谱；（E）100 GHz及100 MHz连续调制太赫兹辐射照射下PtSe₂探测器的零偏压光电流谱（红色）与本底噪声谱（黑色）；（F）PtSe₂本征快速热载流子光热电响应的模拟结果；（G）功率依赖的光响应特性；（H）与已报道室温太赫兹探测器的性能对比。

图 4A 显示了 PtSe₂器件随偏压变化的太赫兹响应。分析表明暗电流携带的珀尔帖热通量导致沿 PtSe₂沟道的温度分布发生变化，从而产生了偏压依赖性光响应(图 4B)。与偏置电压有关的太赫兹响应也进一步证明了金属掺杂效应在PtSe₂器件光热电响应中起着关键作用。室温下的零偏压扫描光电流图像（图 4C）显示，光电流主要位于金属-半金属界面，并且在器件的两个金属-半金属界面上具有相反的极性。图 4D 显示了金属-半金属界面附近随偏压变化的光电流。考虑到外加偏压下金属-半金属界面光伏响应和光热电响应具有相反的变化趋势（图 4E）。因此，可以得出结论：在光学频段，金属-半金属界面附近的光响应源于光热电效应。界面弱光伏响应可归结原因如下：(i) 金属-半金属界面薄的耗尽区，(ii) 费米表面上电子-空穴共存的独特能带结构，以及 (iii) 光激发载流子短的寿命。光电流非常接近金属-半金属接触这一事实进一步表明了金属掺杂对光热电光响应的影响。上述结果表明，金属-半金属界面上的热载流子光热电效应主导了 PtSe₂器件从可见光到太赫兹波段的宽带光电流产生。

图4.偏压依赖太赫兹响应及780 nm扫描光电流成像。（A）光电流（红色）与暗电流（蓝色）的偏压依赖性；（B）偏压依赖太赫兹光响应机制；（C）780 nm波段零偏压下获得的扫描光电流图像；（D）金属-半金属界面处的偏压依赖光电流特性；（E）金属-半金属界面偏压依赖光响应示意图。

该研究进一步展示了PtSe₂探测器在太赫兹通信上的应用。图 5A为用于太赫兹通信验证的系统装置图，包括二进制数据输入、光信号采集和转换以及数据输出。首先将字母 “USST ”转换为二进制数据流（ASCII 码）, 通过外部电触发将信息编码到太赫兹波上。携带编码信息的 100 GHz 调制太赫兹辐射通过喇叭天线辐射到自由空间。我们的PtSe₂探测器充当信号接收器，将太赫兹信号转换为光电流信号。如图 5C 所示，与输入信号相比，输出信号曲线的保真度突出显示了该装置在太赫兹通信方面的潜力。

图5. PtSe₂探测器的太赫兹通信演示。（A）太赫兹通信系统示意图；（B）携带ASCII编码信息的归一化调制电压波形；（C）PtSe₂探测器接收编码信息的实时光电流响应。

总之，该论文系统地探讨了半金属 PtSe₂的热载流子光热电效应及其在太赫兹探测中的应用。基于静电和传热模拟，构建了器件在太赫兹频段的热载流子光热电响应模型，并揭示了由金属-半金属界面热载流子介导的巨大太赫兹光热电响应。在太赫兹波段，PtSe₂探测器显示出 0.62 A/W 的高零偏压响应率、19.6 pW/Hz^1/2的低 NEP 和 4.5 ns 的快速响应时间。此外，与偏压相关的太赫兹响应显示了与珀尔帖热传输相关的热载流子光热电响应。扫描光电流显示短波带间吸收的零偏压光电流仅限于金属-半金属界面。根据光响应随偏压变化的行为，我们得出结论，金属-半金属界面上的零偏压响应仍然源于光热电效应。此外，该研究还为寻找超越石墨烯和 PtSe₂以外的未知材料系统提供了指导。这些发现将有助于指导开发具有高灵敏度、超宽带、快速响应的室温通用太赫兹探测器，并且在下一代高性能太赫兹传感和高速太赫兹通信技术领域具有重要的应用前景。

论文信息

Miao Cai, Jinhua Zhang, Yuanbo Chen, Liang Hong, Jingjing Fu, Xingguo Zheng, Yifan Yao, Shichen Zhang, Yinjun Liu, Boyu Dong, Shu Chen, Ping Li, Guanjun You, Junwen Zhang, Xuguang Guo, Yiming Zhu, Songlin Zhuang. Giant room-temperature terahertz photothermoelectric response mediated by hot carriers at the metal-semimetal interfaces. Sci. Adv. 11, eadv0768(2025).

文献链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adv0768

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