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Thickness-Controlled Three-Dimensional Dirac Semimetal for Scalable High-Performance Terahertz Optoelectronics
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2021-06-07 , DOI: 10.1021/acsphotonics.1c00127 Xiaomei Yao 1, 2 , Shengxi Zhang 1, 2 , Qiang Sun , Peizong Chen 3 , Xutao Zhang 4 , Libo Zhang 2 , Jian Zhang 2 , Yan Wu 2 , Jin Zou , Pingping Chen 1, 2 , Lin Wang 1, 2, 5
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2021-06-07 , DOI: 10.1021/acsphotonics.1c00127 Xiaomei Yao 1, 2 , Shengxi Zhang 1, 2 , Qiang Sun , Peizong Chen 3 , Xutao Zhang 4 , Libo Zhang 2 , Jian Zhang 2 , Yan Wu 2 , Jin Zou , Pingping Chen 1, 2 , Lin Wang 1, 2, 5
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The advent of topological semimetals with peculiar band structure and exotic transport provides an unprecedented material platform that allows exploring novel optoelectronics for circumventing technological bottlenecks. Cd3As2, a three-dimensional Dirac semimetal, represents a hallmark system for studying nontrivial quantum phenomena led by Dirac/Weyl physics. However, controllable growth and device implementation are still in their infancy due to lack of efficient ways to make use of light-induced effects in semimetals. In this study, highly sensitive, low-energy photodetection up to terahertz (THz) band wavelength along with fast response at room temperature has been implemented in an antenna-assisted Cd3As2 planar structure, which is derived from molecular-beam epitaxial growth. It is demonstrated that the THz photodetector based on semimetal Cd3As2 films possesses a responsivity of 0.04 A/W and a NEP value of 430 pW/Hz1/2. Nonequilibrium manipulation of Dirac fermions with thickness-controlled gap phases and an electromagnetic-coupling effect has been well exploited. Our results portray opportunities for developing high-performance, scalable low-energy photodetectors enabled by a Dirac semimetal, which is promising for broadband photoresponses in the highly pursued THz band.
中文翻译：
用于可扩展高性能太赫兹光电子学的厚度控制的三维狄拉克半金属
具有奇特能带结构和奇异输运的拓扑半金属的出现提供了一个前所未有的材料平台，可以探索新的光电子学以规避技术瓶颈。Cd 3 As 2是一种三维狄拉克半金属，代表了研究由狄拉克/外尔物理学领导的非平凡量子现象的标志性系统。然而，由于缺乏有效的方法来利用半金属中的光诱导效应，可控生长和器件实现仍处于起步阶段。在这项研究中，在天线辅助的 Cd 3 As 2 中实现了高达太赫兹 (THz) 波段波长的高灵敏度、低能量光电探测以及室温下的快速响应平面结构，源自分子束外延生长。结果表明，基于半金属 Cd 3 As 2薄膜的太赫兹光电探测器具有 0.04 A/W 的响应度和 430 pW/Hz 1/2的 NEP 值。具有厚度控制的间隙相位和电磁耦合效应的狄拉克费米子的非平衡操纵已得到很好的利用。我们的结果描绘了开发由狄拉克半金属实现的高性能、可扩展的低能量光电探测器的机会，这对于在备受追捧的太赫兹波段中的宽带光响应很有前景。
更新日期：2021-06-17
中文翻译：
用于可扩展高性能太赫兹光电子学的厚度控制的三维狄拉克半金属
具有奇特能带结构和奇异输运的拓扑半金属的出现提供了一个前所未有的材料平台，可以探索新的光电子学以规避技术瓶颈。Cd 3 As 2是一种三维狄拉克半金属，代表了研究由狄拉克/外尔物理学领导的非平凡量子现象的标志性系统。然而，由于缺乏有效的方法来利用半金属中的光诱导效应，可控生长和器件实现仍处于起步阶段。在这项研究中，在天线辅助的 Cd 3 As 2 中实现了高达太赫兹 (THz) 波段波长的高灵敏度、低能量光电探测以及室温下的快速响应平面结构，源自分子束外延生长。结果表明，基于半金属 Cd 3 As 2薄膜的太赫兹光电探测器具有 0.04 A/W 的响应度和 430 pW/Hz 1/2的 NEP 值。具有厚度控制的间隙相位和电磁耦合效应的狄拉克费米子的非平衡操纵已得到很好的利用。我们的结果描绘了开发由狄拉克半金属实现的高性能、可扩展的低能量光电探测器的机会，这对于在备受追捧的太赫兹波段中的宽带光响应很有前景。
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