毫米波和太赫兹光探测器具有巨大的应用潜力，但目前在探测方法上仍然面临挑战。拓扑绝缘体（TLs）由于具有拓扑保护的表面态的狄拉克费米子的存在，有望成为长波光探测的候选材料。近日，中国科学院上海技术物理研究所陈效双教授课题组提出了一种基于亚波长的金属-TL-金属（MTM）结构的室温下毫米波和太赫兹光子直接检测的创新策略。在金属-TL界面，利用亚波长金属接触将入射的长波光子转换成局域的表面等离子体场，从而驱动拓扑表面态（TSS）来回运动。结果表明，原子厚度的Bi2Se3TLs薄片可以作为高灵敏度毫米波和太赫兹探测器的活性材料。并且通过理论和实验证明了在毫米波和太赫兹波范围内，由于局域表面等离子体激元（SPPs）的电磁场驱动的非中心对称散射而产生的光电流效应在TSS传导中的关键作用。

图1a展示了所设计的MTM的结构，其中Bi2Se3薄片用作沟道中的活性材料。考虑到Bi2Se3块体晶体的点群对称性为D3v，其中包括反转中心，而表面缺乏空间反转，点群为C3v，这意味着TSS在电场作用下的各向异性散射，对交流电场产生直接光电流。因此，当器件受到毫米波和太赫兹辐照时，由于TSS和入射辐射的相互作用（自供电模式，见图1c），对交流电场发生响应从而直接产生光电流。当沿光伏电势的偏压电场作用于该结构时，产生的光载流子被加速并有效地向金属接触端分离。因此，由于偏压模式下的光电导增益较大，光电流增大（图1d）。该纳米器件使用优化的Bridgman-Stockbarger方法生长Bi2Se3，后通过机械剥离制备而成。样品在环境大气中显示惰性，这意味着不需要覆盖层来保护FET的有源通道。剥离后，使用显微拉曼光谱测试Bi2Se3薄片，图2b展示了40、72、132和175 cm-1处的四个特征峰。原子力显微镜显示，Bi2Se3薄片的典型厚度分布集中在90 nm左右（图2c）。然后，在零偏压下测量了Bi2Se3 MTM光电探测器的光响应，在0.12 THz，功率密度为0.525 mW cm-2的条件下测试了探测器的光开关特性，如图2e所示。即使调制频率超过1 kHz时，脉冲形状也保持良好。所产生的直接光电流在电磁辐射的多个开关周期上表现出良好的再现性，证明了器件的稳定性。图2f展示了器件的响应速度，通过拟合单指数函数，确定响应时间约为60 μs，比目前可用的室温热探测器快得多，后者通常以毫秒为单位。为了进一步了解器件的性能，又测量了对功率的依赖性，如图2g所示。直接光电流的振幅与入射功率成正比，表明在所研究的范围内光电效率几乎恒定。在所有测量的动态范围内，从图2g中提取的响应度接近75 A W-1。该值高于先前报道的用于检测近红外辐射的其他层状材料的值。

该探测器的工作原理可以用Bi2Se3中对称保护的TSS的特性来解释，如图3a所示。图3b示意性地描述了光电流的产生过程，其中，散射点被绘制为位于五层平面上的随机分布但方向相同的楔形。在没有太赫兹辐射的情况下，各向异性散射电子的流动被精确地相互补偿。当太赫兹辐射作用于该系统时，由于Bi2Se3楔块的非对称散射，载流子的动量是一致的—电子被交流电场来回驱动，总电荷流不为零。因此，多余的载流子会沿着电场单方面移动，破坏系统的平衡，而所谓的光电流可以在自供电模式下产生。如图3b下方所示，光电流的方向取决于交流电场和楔形物的特定方向：例如，平行于楔形物底座（左下面板）的电场产生沿x方向流动的光电流，当电场旋转90°时，电流方向反转（右下面板）。除了光电流效应外，还应考虑光子拖拽效应，这通常是由光子动量转移到带电载流子引起的。另一方面，由于光子拖拽效应与光子动量成正比，而光电流仅由辐射电场的平面内分量决定，因此，一旦应用后照和前照，光电流不变，而光子拖动效应受到影响。利用时域有限差分法（FDTD）进行了数值模拟，以评估这两种效应在结构中的权重。首先模拟了一个6 μm×6 μm×90 nm的单个裸Bi2Se3板，如图3c、d、f、g所示，局域SPP出现在亚波长结构中，强度在Bi2Se3与空气的两个界面处最高。因此，与光电流效应相关的光电流密度相对于两个界面呈现对称分布，而与光子拖曳效应相关的光电流具有不对称分布。如图3e-h所示，通过覆盖导体（Au），局域SPP强度变得更强，但感应电场分量的对称性保持不变。因此，在蝶形亚波长MTM结构中，入射的电磁波可以转换成局域的SPP场，从而实现长波光子与TSS之间的强相互作用。

为进一步研究偏压模式下MTM光电探测器的光响应，通过在不同偏压下周期性地打开和关闭0.12 THz的光进行时间分辨测量，如图4a所示，使用高速示波器监测快速变化的光信号。尽管电偏压高达50 mV，但仍保持高信噪比，这得益于较大的光电导增益。图4b显示了响应度（R）的依赖关系。与自供电模式的情况类似，当装置在两个金属触点之间的有限偏置电压下工作时，也发现MTM检测器的线性功率依赖性（图4d）。为了进一步验证Bi2Se3基MTM器件中与TSS相关的光响应特性，我们通过红外光抽运探测TSS进行了附加实验。如图5a所示，在MTM器件的外偏压固定在50 mV的情况下，将785 nm光束的连续光抽运均匀地引导到MTM器件上，以控制THz场下的载流子动力学。如图5b所示，随着激光强度的增加，太赫兹光电流减弱。这种现象的微观起源与Bi2Se3的特殊电子性质有关（图5c）。

图1. (a-d) MTM器件的结构及其工作原理。

图2. (a-g) Bi2Se3的拉曼光谱及器件在零偏压下的响应。

图3. (a-j) MTM基探测器光电流效应微观模型及数值模拟。

图4. (a-e) 金属接触偏置模式下MTM探测器的特性研究。

图5. (a-d) 偏置模式下MTM器件中TSS的太赫兹辐射红外泵浦探测。

该工作探索并实验验证了TL基MTM探测太赫兹辐射的可行性。实验结果表明，该探测器对自供电模式和偏置模式均具有较高的灵敏度和快速响应。所获得的效率与TSS的特殊性质以及Bi2Se3中太赫兹场与TSS的亚波长相互作用有关。由于太赫兹光诱导TSS的光电流效应，获得了良好的光电响应，高响应度约为75 A W-1。此外，响应时间低于60 μs使得这些纳米器件适合于实时成像。该器件可与商用室温热检测系统相竞争，且优化设备和工艺可进一步提高性能。这项工作为激活、探测和利用TSS设计新的太赫兹器件，如与超材料集成的替代结构，以便适当地调整器件的性能铺平了道路，对于实现太赫兹光电领域的技术至关重要，特别是实现大面积、快速的成像应用。