拓撲—讓電子與光一起共舞

非線性光學在太陽能、光探測等諸多方面都具有重要應用，因此長期以來一直受到物理學家、化學家、材料學家和工程師們的廣泛關(guān)注。近年來，一種體光伏效應（Bulk photovoltaic effect）引起了極大的研究興趣。體光伏效應有著許多重要的潛在應用，比如,它可以將光能轉(zhuǎn)換成電能。與傳統(tǒng)太陽能電池所用的pn結(jié)相比，體光伏效應不受肖克利-奎伊瑟極限（Shockley-Queisser limit）的限制，并且能產(chǎn)生高于材料本身能隙的電壓，因此可被用于下一代的太陽能電池技術(shù)。另一方面，體光伏效應也能應用于光探測，尤其是在紅外到太赫茲（THz）波段。

與傳統(tǒng)的紅外探測器（比如HgCdTe探測器）相比，基于體光伏效應的探測器不需要偏壓，困擾許多傳統(tǒng)光電探測器的暗電流問題也因此可以得到緩解。為了實現(xiàn)這些應用，必須提高材料的非線性光學響應，使其在低輸入下達到人們預期的服役效果。雖然人們已經(jīng)尋找到了很多新的潛在材料，但一個常見的問題是，能否在理論上給出相對比較通用的方案，并且依照這一方案完成材料設計。

來自麻省理工學院的李巨(Ju Li)教授組在前期論文中就指出，拓撲絕緣材料有著優(yōu)越的線性光學響應[J. Phys. Chem. Lett., 11, 6119–6126 (2020)]。值得說明的是，在拓撲絕緣材料中，電子態(tài)會出現(xiàn)一種不太常見的雜化，它使得這些半導體（或絕緣體）材料的電子結(jié)構(gòu)和普通的硅或者金剛石材料看起來很類似，但實質(zhì)上具有不同的電子拓撲數(shù)。這有一點像普通的紙環(huán)和墨比烏斯環(huán)一樣，粗看起來都是三維空間中的物體，但實際上完全不同。

物理學家已經(jīng)指出，這種拓撲絕緣材料中的電子能帶結(jié)構(gòu)和普通絕緣體（硅或金剛石）相比多了一次能帶反轉(zhuǎn)（就像墨比烏斯環(huán)一樣）。李巨教授課題組指出，這一反轉(zhuǎn)會讓價帶和導帶的電子波函數(shù)有更強的雜化，從而使得電子在價帶和導帶間的躍遷變得更容易，材料也能因此獲得優(yōu)越的光學響應。

近期，李巨教授課題組聯(lián)合MIT孔敬(Jing Kong)教授課題組，將這一思想進一步拓展至非線性光學材料中[npj Computational Materials 7, 31 (2021)]，提出同時擁有：

拓撲型電子能帶雜化，

強烈的空間不對稱性和

較小能隙的材料，很有可能具有優(yōu)異的非線性光學性質(zhì)。

除了拓撲能帶雜化之外，強烈的空間不對稱性會使得空間中的兩個相反的方向（比如向左和向右）變得非常不同，這樣電子朝著某一個特定的方向移動的意愿強，而向著反方向移動的意愿弱。這樣的話，就能夠產(chǎn)生更大的凈電流。而能隙小的時候，電子在價帶和導帶之間的躍遷也會變快。這有點兒像上臺階時，如果臺階比較矮，那么上起來就會比較容易。

基于上述原理和孔敬教授課題組前期在二維非對稱材料（Janus transitionmetal dichalcogenides, JTMDs）中的實驗成果，他們通過量子力學第一性原理的方法，預測了一類新型的拓撲1T’相的Janus過渡金屬硫化物，發(fā)現(xiàn)它們具有巨大的非線性光電導性。

通過第一性原理計算，他們發(fā)現(xiàn)1T’ JTMDs的位移電流電導率可以達到2300 nm·μA·V?2（相當于2800 mA/W），而circular current電導率則能達到104 nm·μA·V?2量級。這比過去常用的非線性材料的光學響應增強了1至2個數(shù)量級。也就是說，與之前常見的材料相比，人們可以用更低強度的光照射JTMD材料，在材料中獲得更大的光電流。

由于1T’ JTMDs的能隙很?。?0 meV量級，相當于2.5 THz），THz波段的光就可以將電子從價帶激發(fā)到導帶上形成光電流。因此1T’ JTMDs可以用來探測THz波段的光。值得指出的是，通常半導體材料的能隙都在1 eV量級，因此它們只能用到探測可見到紫外波段的光，對遠紅外到THz波段的光則沒有響應。

該團隊進一步發(fā)現(xiàn)，利用彈性形變和外加電場這樣的外部刺激可以讓1T’JTMDs中電子的波函數(shù)發(fā)生進一步的扭轉(zhuǎn)，從而導致電子態(tài)的拓撲相變。在相變前后位移電流的方向會發(fā)生反轉(zhuǎn)。這樣一個光電流方向的驟變可以用來表征拓撲相變，在光力學、光電子學中也有潛在應用。該研究有助于加深對拓撲材料光電性質(zhì)的理解，并且為未來尋找更多具有優(yōu)秀光電性質(zhì)的材料提供了理論參考。

該文近期發(fā)表于npj Computational Materials7: 31(2021)，英文標題與摘要如下。

Colossal switchable photocurrents in topological Janus transition metal dichalcogenides

Haowei Xu, Hua Wang, Jian Zhou, Yunfan Guo, Jing Kong & Ju Li

Nonlinear optical properties, such as bulk photovoltaic effects, possess great potential in energy harvesting, photodetection, rectification, etc. To enable efficient light–current conversion, materials with strong photo-responsivity are highly desirable. In this work, we predict that monolayer Janus transition metal dichalcogenides (JTMDs) in the 1T’ phase possess colossal nonlinear photoconductivity owing to their topological band mixing,

strong inversion symmetry breaking, and small electronic bandgap. 1T’ JTMDs have inverted bandgaps on the order of 10 meV and are exceptionally responsive to light in the terahertz (THz) range. By first-principles calculations, we reveal that 1T′ JTMDs possess shift current (SC) conductivity as large as 2300 nm·μA·V?2, equivalent to a photo-responsivity of 2800 mA/W. The circular current (CC) conductivity of 1T′ JTMDs is as large as ～104 nm·μA·V?2.

These remarkable photo-responsivities indicate that the 1T’ JTMDs can serve as efficient photodetectors in the THz range. We also find that external stimuli such as the in-plane strain and out-of-plane electric field can induce topological phase transitions in 1T′ JTMDs and that the SC can abruptly flip their directions.

The abrupt change of the nonlinear photocurrent can be used to characterize the topological transition and has potential applications in 2D optomechanics and nonlinear optoelectronics.

編輯：jq