Reversible engineering of topological insulator surface state conductivity through optical excitation
Reversible engineering of topological insulator surface state conductivity through optical excitation
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通过光激发拓扑绝缘体表面态电导率的可逆工程
DOI：
10.1088/1361-6528/abde01
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发表时间：
2020-09
期刊：
影响因子：
3.5
通讯作者：
Shi S.-F.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Xie F.;Lian Z.;Zhang S.;Wang T.;Miao S.;Song Z.;Ying Z.;Pan X.-C.;Long M.;Zhang M.;Fei F.;Hu W.;Yu G.;Song F.;Kang T.-T.;Shi S.-F.
尽管具有宽带响应，但在特定波长处有限的光吸收阻碍了基于狄拉克费米子的光电子学的发展。石墨烯和各种半导体的异质结构已被探索用于此目的，而非理想的界面往往限制性能。拓扑绝缘体（TI）是一种自然的混合系统，其表面态具有高迁移率的狄拉克费米子，而小带隙的半导体体态强烈吸收光。在这项工作中，我们显示了一个大的光电流响应的场效应晶体管器件的基础上，本征TI的Sn-Bi 1. 1 Sb 0. 9 Te 2S（Sn-BSTS）。光电流响应是非易失性的，并且敏感地依赖于表面态的初始费米能，并且可以通过控制栅极电压来擦除。我们的观察结果可以用远程光掺杂机制来解释，在该机制中，光激发体中的缺陷并将局域载流子释放到表面态。这种光掺杂调制的表面状态的电导率，而不损害的迁移率，它也显着修改的量子霍尔效应的表面状态。因此，我们的工作说明了一条路线，可逆地操纵表面状态，通过光激发，脱落光利用拓扑表面状态的量子光电子学。
Despite the broadband response, limited optical absorption at a particular wavelength hinders the development of optoelectronics based on Dirac fermions. Heterostructures of graphene and various semiconductors have been explored for this purpose, while non-ideal interfaces often limit the performance. The topological insulator (TI) is a natural hybrid system, with the surface states hosting high-mobility Dirac fermions and the small-bandgap semiconducting bulk state strongly absorbing light. In this work, we show a large photocurrent response from a field effect transistor device based on intrinsic TI Sn–Bi1.1Sb0.9Te2S (Sn-BSTS). The photocurrent response is non-volatile and sensitively depends on the initial Fermi energy of the surface state, and it can be erased by controlling the gate voltage. Our observations can be explained with a remote photo-doping mechanism, in which the light excites the defects in the bulk and frees the localized carriers to the surface state. This photodoping modulates the surface state conductivity without compromising the mobility, and it also significantly modify the quantum Hall effect of the surface state. Our work thus illustrates a route to reversibly manipulate the surface states through optical excitation, shedding light into utilizing topological surface states for quantum optoelectronics.
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