近日，我校合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計中心和物理系中國科學(xué)院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授、李林副研究員研究團隊聯(lián)合高陽教授課題組，在固體材料非線性輸運研究中取得重要進展。研究團隊在單質(zhì)半導(dǎo)體碲中觀測到了巨大且可調(diào)的室溫非線性霍爾效應(yīng)，并實現(xiàn)了基于非線性霍爾效應(yīng)的無線射頻整流。相關(guān)研究成果以“Giant nonlinear Hall and wireless rectification effects at room temperature in the elemental semiconductor tellurium”為題于6月29日在線發(fā)表在《Nature Communications》上（DOI:10.1038/s41467-024-49706-y）。
非線性霍爾效應(yīng)作為霍爾家族的新成員近年來引起了廣泛關(guān)注。和線性響應(yīng)區(qū)間的普通霍爾效應(yīng)不同，非線性霍爾效應(yīng)是對縱向交流電流的二階電場響應(yīng)，可以在不施加任何外磁場的情況下，在橫向產(chǎn)生倍頻信號以及直流信號。這也使得非線性霍爾效應(yīng)在倍頻和整流器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，先前報道的非線性霍爾效應(yīng)往往存在輸出電壓輸出過小和工作溫度過低的問題，阻礙了相關(guān)的器件應(yīng)用。到目前為止，室溫下的非線性霍爾效應(yīng)只在狄拉克半金屬BaMnSb2和外爾半金屬TaIrTe4中觀測到，但電壓輸出都相對較小且缺少可調(diào)控性。
研究團隊另辟蹊徑，探索在半導(dǎo)體材料中尋找具有優(yōu)異非線性霍爾表現(xiàn)的材料體系。他們對碲單質(zhì)半導(dǎo)體薄片的非線性響應(yīng)行為進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)碲薄片存在顯著的室溫非線性霍爾效應(yīng)，且通過外加?xùn)艍嚎梢燥@著調(diào)控輸出電壓幅值。在300 K溫度下，非線性霍爾電壓的最大輸出幅值可以達到2.8 mV，比此前報道體系中的最高記錄高出一個量級。在此基礎(chǔ)上，研究團隊利用射頻激勵取代交流電流驅(qū)動，進一步實現(xiàn)了顯著的無線整流效應(yīng)，在較寬的0.3~4.5 GHz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了穩(wěn)定的整流電壓輸出。結(jié)合進一步的實驗和理論分析，室溫非線性霍爾效應(yīng)主要由外稟散射機制主導(dǎo)，而薄片結(jié)構(gòu)的表面對稱性破缺起到了重要作用。該工作進一步加深了對固體中非線性輸運的理解，同時也為設(shè)計實現(xiàn)非線性電子學(xué)器件提供了重要材料候選。
圖：（a）碲的晶體結(jié)構(gòu)示意圖及基于碲薄片的測試器件。（b）不同電流方向下非線性霍爾電壓隨交流電流的變化關(guān)系。（c）非線性霍爾電壓輸出幅值及工作溫度與其他體系的對比。（d）基于非線性霍爾的無線射頻整流效應(yīng)。
近年來，曾長淦、李林研究團隊在半導(dǎo)體碲的新奇電子態(tài)和輸運性質(zhì)研究中取得了系列進展，包括首次確證碲為一類結(jié)合拓撲和半導(dǎo)體雙重屬性的“外爾半導(dǎo)體”（PNAS 117, 11337 (2020)）；與北京大學(xué)孫棟教授合作，利用中紅外圓偏振光電效應(yīng)揭示獨特的外爾光學(xué)響應(yīng)（Nat. Commun. 13, 5425 (2022)）；基于碲的特殊能帶結(jié)構(gòu)，設(shè)計實現(xiàn)了一類新型“拓撲場效應(yīng)晶體管”（Phys. Rev. Appl. 17, 054044 (2022)）。在本研究工作中，碲在非線性響應(yīng)區(qū)間優(yōu)異輸運性能的發(fā)現(xiàn)，將進一步激發(fā)人們對于這類“簡單”半導(dǎo)體材料新奇物性和應(yīng)用的探索。
我校物理學(xué)院博士畢業(yè)生程斌、高陽教授和博士研究生鄭直為論文共同第一作者。曾長淦教授和李林副研究員為論文共同通訊作者。合作者還包括我校信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院朱旗教授和安徽大學(xué)李惠教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院以及安徽省的資助。李林副研究員得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)仲英青年學(xué)者項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
