近日，复旦大学物理学系/应用表面国重修发贤教授课题组与中国科学技术大学及中国科学院上海硅酸盐研究所合作，在三维拓扑绝缘体碲化银（Ag₂Te）中发现表面光伏效应。7月5日，相关研究成果以《碲化银中的表面光伏效应》（Surface photogalvanic effect in Ag₂Te）为题在线发表于期刊《自然·通讯》（Nature Communications 15，5651（2024））。

    传统光电二极管基于p-n结结构，工作效率受制于肖特基-奎伊极限。体光伏效应是指，在空间反演破缺的材料内部，不需要额外的结或偏压就能产生光电流的现象。其工作效率不受限，又能反映体系的拓扑几何性质，被认为是新一代光电器件发展的重要方向。体光伏效应对体系对称性具有严格的要求，通常依托于大能隙的铁电材料，不利于提高器件响应能力，并且难以在红外波段工作。通过人为手段降低对称性，从而在更多材料体系中实现/提高体光伏效应是相关领域的研究热点。

    研究人员们在中心反演对称的拓扑绝缘体Ag₂Te中发现了另一种实现光伏效应的机制，即表面光伏效应（图1）。测试结果表明，Ag₂Te中存在一个均匀分布的短路电流，该电流具有清晰的晶向选择性，并且属于二阶非线性效应。研究人员们设计了一系列对称性相关的实验，最终确认该信号来自于Ag2Te的表面。与此同时，基于位移电流模型的第一性原理计算也印证了该猜想。碲化银中的表面光伏效应来自贝利联络引起的位移电流，依赖于面外滑移对称性的破缺。光电流响应在低对称性的表面上被激发，由于体材料对光的吸收，上下表面受到的光照强度不同，上表面激发的光电流主导了最终结果。作为拓扑绝缘体，基于Ag₂Te的表面光伏器件性能在响应度和工作波段上都表现出明显优势，实现了从可见光到中红外的超宽谱探测。

图1.（a,b）Ag₂Te器件和光电流扫描结果；（c,d）理论和实验测得的光电流偏振依赖情况；（e,f）体光伏效应和表面光伏效应。

    该发现阐明了中心反演破缺并非产生本征光伏效应的必要条件，为光电应用相关研究提供表面光伏效应这一新思路，拓宽了基于光伏效应的光电材料选择范围，有助于实现新一代宽谱、高效、自供电的光电探测器及太阳能电池等。该工作获得了复旦大学物理学系，应用表面物理国家重点实验室，基金委项目的大力支持与资助。我系博士生谢筱意，冷鹏亮，中科大博士生丁震宇和硅酸盐所研究员杨金山为共同第一作者，我系修发贤教授和中科大高阳教授为共同通讯作者。

    修发贤课题组主要从事拓扑材料和低维原子晶体的生长、量子调控以及新型低维原子晶体材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生长、物性测量以及量子器件的制备与表征。在新型低维原子晶体材料的器件方面主要研究其电学、磁学和光电特性。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49576-4