Lateral photovoltaic effect in SiO2/TeO2/Bi2Te3/n-Si structure
本研究调查了 SiO2/TeO2/Bi2Te3/n-Si 混合异质结构中的横向光伏效应，揭示了在 1 µm 附近发生的与波长相关的极性反转，这表明 Si 基底和 Bi2Te3 薄膜中存在共存的不同光伏通道，其中与 Si 相关的贡献表现出归因于界面态的磁场敏感性。
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光不仅能照亮世界，在合适的材料中，它还能将电流向侧向推动。这种被称为“横向光伏效应”的现象，发生在光束照射到表面时，产生一个完全取决于光线落点位置的电压。如果光线移动，电信号也会随之偏移，这使得构建无需摄像头或运动部件即可精确感知光束触碰位置的传感器成为可能。这种将位置转化为电力的能力，对于从显微镜中的微小运动追踪到机器人引导等各个领域都具有重要价值。为了让这些传感器性能更好，科学家们一直在寻找能够对多种颜色光线敏感、并能在不同条件（如变化的温度或磁场）下工作的各种新材料。一种极具前景的候选材料是碲化铋，它以其独特的表面导电及阻隔热量能力而闻名，这些特性使其成为先进电子设备的宠儿。
俄罗斯基伦斯基物理研究所与自动化控制过程研究所的一个研究小组，最近探索了这种效应在一种特定层状结构中的运作方式。他们构建了一个材料“三明治”：首先是一个标准的硅基底，这也是大多数计算机芯片所使用的材料。在硅之上，他们生长了一层极薄的碲化铋薄膜，并用暴露在空气中自然形成的氧化物层将其覆盖。研究目标是观察光如何与这个混合堆叠结构相互作用，以及由此产生的电信号是否能揭示关于这些不同层如何协同工作的全新信息。通过将不同颜色的光照射到样品上，并测量表面两点之间出现的电压，研究人员可以精确绘制出光是如何被转化为电能的图谱。
实验揭示了一种引人入胜的行为分裂。当研究人员在从可见光谱到红外光谱的范围内扫描光波长时，他们发现电信号并没有平滑变化。相反，在大约一微米的波长处，信号改变了方向。在此点之前，电压表现出一种行为，由吸收光的硅基底驱动；在此点之后，电压发生反转，由吸收光的碏化铋薄膜驱动。这种翻转的发生是因为硅和碲化铋吸收光的能量阈值不同：硅在较长波长处停止有效吸收，而碲化铋则能持续响应。研究人员观察到，来自硅的部分信号对磁场敏感，即当磁铁靠近时其强度会发生变化，而来自碲化铋的部分信号则保持稳定。
这种对磁场反应的不同，为设备内部正在发生的情况提供了关键线索。团队得出结论，与硅相关的信号受到位于碲化铋与硅交界处的特定能级或“陷阱”的影响。这些陷阱很可能是由于薄膜生长过程中引入的微小杂质或缺陷造成的，它们可以捕捉并释放电荷载流子。当施加磁场时，它会改变这些陷阱的能量，进而改变它们对电信号的贡献程度。然而，来自碲化铋的部分信号并不依赖于这些特定的界面陷阱，这就是为什么它对磁场不敏感的原因。研究人员还在极低温度下检查了该设备，发现信号以一种可预测的方式发生变化，从而证实了这种效应确实是由光引起的，而非仅仅由热量引起。
这项研究证实，这种混合结构包含两条截然不同的光生电路径，每条路径都有其独特的“个性”。一条路径与硅相关并对磁场做出反应，而另一条路径与碲化铋相关并保持恒定。通过理解这两条通道如何共存以及它们如何响应不同条件，科学家可以更好地设计未来的传感器，使它们不仅对位置敏感，还能具备区分不同类型光线或在复杂环境中运行的能力。这项工作表明，通过仔细控制材料之间的界面，有可能调节设备，使其对磁场更敏感，或者在更宽的光谱范围内高效运行，从而为光学传感技术开启新的大门。
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