近日，东华大学邢怀中、中国科学院上海技术物理研究所王林等相关团队共同合作，探究了基于新型节线性(Nodal-line)拓扑半金属ZrGeSe的太赫兹探测器，为在一系列尖端应用上提供室温探测新思路。相关结果以《节线性狄拉克费米子和范德华异质结驱动的高灵敏、自供电型太赫兹探测器》（Ultrasensitive and Self-Powered Terahertz Detection Driven by Nodal-line Dirac Fermions and Van Der Waals Architecture）为题，发表在《先进·科学》Advanced Science（DOI: 10.1002/advs.202102088）。

太赫兹频段位于光子学（红外）和电子学（微波）两个领域之间，其频率高于传统电子学的截止频率，而meV级光子能量又低于传统半导体的带隙，让大量研究者对其望而却步，被认为是最后一块未被开发的频率窗口。但是正是这种丰富的频率特征令其在下一代信息通信、医学成像、国防安全和深空探测等领域具有重要应用前景。作为太赫兹系统的重要组成部分，太赫兹探测器担任着将太赫兹光转化为电信号的承接作用。但在实际太赫兹探测实验中发现，由于太赫兹光子能量远低于半导体带隙，传统单粒子激发不再适用于此波段。因此当前的主要任务是开发新型材料和新结构来提高太赫兹场耦合，提高量子效率，从而实现室温高效率和高灵敏的探测器。

为了解决上述问题，通过仿真模型研究发现,非对称电极结构能够增强太赫兹局域场（1~2个数量级），从而提高太赫兹场与材料的光电耦合效率。针对光敏材料选取问题，研究者们生长了拥有特殊能带结构的节线性拓扑材料锆锗硒ZrGeSe（具有线性色散能带交叉形成一个封闭的环而不是离散点，表现出新颖的物理特性，包括高迁移率、量子霍尔效应、较高的热导率和较大的磁阻等），采用常规工艺，非对称扇形天线（（M1-T-M2）耦合的太赫兹探测器。该工作直接引入光热电效应（PTE），通过吸收太赫兹光产生非平衡热载流子造成温度梯度分布，与赛贝克系数差的乘积后积分形成电势梯度，可实现对非平衡载流子电信号地有效提取，具有宽波段、高带宽和高集成性的优势；与此同时，为了抑制半金属带来暗电流过大的缺陷，研究者又通过范德华异质堆叠的方式，抑制热扰动噪声，噪声等效功率达到了14.6 pW Hz^(1/2)（目前商用GaAs太赫兹单元探测器性能水平：噪声等效功率：1nWHz^(1/2)）。

东华大学博士生张力波为该论文的第一作者，中国科学院上海技术物理研究所王林启明星研究员、东华大学邢怀中教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张凯研究员为该论文的共同通讯作者，研究工作同时得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国防创新基金、上海市自然科学基金和上海VI 类器件高峰学科等项目的支持。

撰写：李学元