超材料路径实现光电直接转换

来源：中国激光

清华大学周济院士课题组基于超材料的局域磁电场重构，提出了一种光电直接转换新机制。该机制直接利用光波中的电磁场驱动电子运动实现，为光和电磁波的探测和利用提供了一个崭新的途径。

光电转换是光学中最基本、最重要的物理机制之一，被广泛应用于太阳能电池、光通信、光计算和光探测等技术中。传统的光电转换机制基于半导体光生载流子，通常涉及多个间接且复杂的物理过程，这导致它不仅需要精心设计的半导体器件才能实现，而且从根本上造成了转换效率低、适应波段窄、响应速度慢等困扰其进一步发展和应用的一系列难题。如何获得一种物理过程更加直接的光能转换直流电能的机制，成为打破当前光电转换诸多限制的关键。

图1 （a）光电直接转换机制的理论模型；（b）所设计的超材料结构及局域磁场、电场、表面电流和洛伦兹力关系；（c）局域电场、磁场和洛伦兹力在一个电磁周期内的方向关系。

针对这一重要物理问题，周济院士带领的研究团队从基础电磁场理论出发，通过设计特定超材料结构，人工重构了局域磁电场关系，进而打破了洛伦兹力的时间对称性。时间非对称洛伦兹力将驱动自由电子在物理边界聚积，最终产生直流电势差，实现光能到直流电能的转换。以太赫兹波段的仿真结果为例，在1 THz的光照射下，超材料单元产生了明显的直流电压，相比较对比样品，其电压强度增强了1000倍。

图2 （a）超材料单元与对比样品在太赫兹波段的仿真电势差谱；（b）改变超材料结构对输出直流电压的影响。

相较传统光电转换，这一全新机制由电磁场直接驱动直流电流实现，并不涉及间接复杂的物理机制，因此具有超快的响应速度。研究结果表明，其响应时间有望达到皮秒甚至飞秒级。而且通过改变超材料的几何形状和尺寸，可以对光电直接转换机制实现超高自由度的人工设计和调控，使其工作在从微波到可见光的任意波段。可以预见，这样一种全新的光电转换机制将在光学和光电子学领域展现出非常广阔的应用前景。

相关研究成果以“Metamaterial route to direct photoelectric conversion”为题发表在Materials Today [23, 37-44, (2019)]上。文永正副研究员为论文第一作者，周济院士为论文通讯作者，清华大学为独立完成单位。该项目工作得到国家自然科学基金基础科学中心项目、重点项目、青年科学基金项目以及国家博士后科研基金项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.01.001