光电探测器作为光信号与电信号转换的关键器件，在通信、成像、雷达等领域发挥着重要作用。然而，现有的光电探测器存在诸多挑战，如在宽带探测方面存在局限性，尤其是在太赫兹频段，这一频段因其在安全检查、环境监测等领域的独特应用而备受关注。Weyl半金属作为一种新兴的拓扑量子材料，因其独特的电子结构和高载流子迁移率，展现出巨大的应用潜力。NbNiTe₂作为一种各向异性的Weyl半金属，不仅在太赫兹频段表现出色，还在可见光到近红外波段展现出优异的光电探测性能，为解决宽带光电探测难题提供了新思路。

据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海技术物理研究所和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的研究团队提出了一种基于各向异性Weyl半金属NbNiTe₂的超宽带光电探测器，通过天线集成和异质结构工程实现了从可见光到太赫兹（THz）的高灵敏度探测。利用其拓扑量子材料特性和天线集成，基于NbNiTe₂的光电探测器在太赫兹频段展现出5.86 A/W的高响应度和0.83 μs的快速响应时间。通过结合NbNiTe₂的非线性特性，研究团队开发异相干实验，展示了其在复杂信号处理中的多频率太赫兹信号探测潜力。此外，NbNiTe₂/MoS₂异质结构光电探测器展现出从可见光到近红外（NIR）波长范围的宽带响应，以及高达5.74的超高各向异性比。这项研究成果为下一代室温宽带光电探测器提供了可行的路径，具有高灵敏度和各向异性特性。这项研究以“Ultrabroadband Photosensitivity and Frequency-Mixing in Anisotropic Weyl Semimetal NbNiTe 2”为题发表在 ACS Nano期刊上。

研究人员通过化学气相传输法（CVT）合成高质量的NbNiTe₂单晶，并利用高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）和能量色散光谱（EDS）对其原子排列和元素分布进行了表征，通过角分辨光电子能谱（ARPES）和拉曼光谱进一步验证了其电子结构和各向异性，相关结果如图1所示。随后，研究人员对NbNiTe₂器件的室温下光电响应特性进行了测试，相关结果如图2所示。

图1 NbNiTe₂的生长与表征

图2 室温下NbNiTe₂器件的光电响应特性

为了进一步探索该材料优异的拓扑性能和光电响应特性，研究人员通系统探究了基于NbNiTe₂的光电探测器的混频性能，相关测试结果如图3所示。

图3 基于NbNiTe₂的光电探测器在12 GHz和15 GHz下的多频外差探测

NbNiTe₂的半金属特性可产生暗电流抑制对于光电探测器在可见光到红外波段实现最佳器件性能至关重要。层状NbNiTe₂材料特别适合与如MoS₂等低阻隔材料集成，以利用其光热电效应在零偏压下实现电荷分离并消除多余的热噪声。接着，研究人员对基于NbNiTe₂/MoS₂的光电探测器的光电性能进行了测试，相关结果如图4所示。研究结果表明基于NbNiTe₂/MoS₂的光电探测器在可见光到近红外波段表现出卓越的性能。同时，研究人员还探究了基于NbNiTe₂的光电探测器和基于NbNiTe₂/MoS₂的光电探测器的各向异性光电特性，相关结果如图5所示。

图4 基于NbNiTe₂/MoS₂的光电探测器的光电性能

图5 基于NbNiTe₂的光电探测器和基于NbNiTe₂/MoS₂的光电探测器的各向异性光电特性

最后，研究人员展示了基于NbNiTe₂的光电探测器和NbNiTe₂/MoS₂的光电探测器在成像系统中的应用潜力，通过构建成像系统，成功实现了高质量的图像采集，相关结果如图6所示。

图6 基于NbNiTe₂和NbNiTe₂/MoS₂的光电探测器成像应用

综上所述，这项研究系统探究NbNiTe₂及其NbNiTe₂/MoS₂异质结构的光电探测性能，证明了其在太赫兹、可见光和近红外频段的超宽带探测能力。NbNiTe₂展现出高灵敏度、快速响应和各向异性光电探测特性，为下一代宽带光电探测器的发展提供了新的方向。此外，这项研究还展示了基于NbNiTe₂的光电探测器在成像系统中的应用潜力，为未来高性能光电探测器的设计和应用奠定了坚实基础。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c11626