磁场可调谐双曲结构磁性外尔半金属太赫兹探测器在0.1 THz单频6G通信中的应用

《Results in Engineering》：Magnetic Weyl Semimetal Terahertz Detector with Field-Tunable Hyperbolic Structures for 6G Communications Operating at a Single Frequency of 0.1 THz

本研究针对6G通信中高性能太赫兹探测受限于噪声-响应度权衡的难题，通过创新性地集成磁性外尔半金属Co3Sn2S2物理特性与双曲螺旋场效应晶体管结构，实现了在0.1 THz单频下创纪录的响应度(3.99×105 V/W)和噪声等效功率(256 pW/Hz1/2)。该器件利用动态自旋过滤效应放大光生载流子动量，结合3D打印亚波长双曲结构(150 μm周期)局域表面等离子体，协同抑制暗电流并增强光-物质相互作用，为太赫兹通信节点提供了低噪声解决方案。

　　

随着第六代移动通信技术(6G)的快速发展，太赫兹(THz)频段(0.1-10 THz)因其超大带宽潜力成为实现超高速无线通信的关键。然而，该频段高性能探测器的研发始终面临着一个根本性挑战：传统光学/电场调制传感器难以同时实现高响应度和低噪声等效功率(NEP)。现有基于III-V族半导体、半金属和二维材料(如石墨烯)的探测器各有局限——半导体测辐射热计需要低温工作环境且带宽有限，半金属光电导天线因窄带隙产生高暗电流，而石墨烯器件则受限于缺陷诱导噪声和缓慢复合动力学。这种性能上的相互制约严重阻碍了太赫兹技术在通信、成像和量子传感等领域的实际应用。

近期，拓扑量子材料的出现为突破这一瓶颈提供了全新思路。其中，外尔半金属(WSMs)因其独特的线性色散能带结构而备受关注。这类材料中存在外尔节点——动量空间中价带和导带交叉形成的点，其周围的电子行为类似于无质量的外尔费米子。更引人注目的是，磁性外尔半金属如Co₃Sn₂S₂，不仅具备上述特性，还引入了自旋极化的拓扑态，其kagome晶格几何结构诱导产生强电子关联和自旋-轨道耦合，形成II型外尔节点(具有倾斜能带 dispersion)。这些特性使得材料在太赫兹照射下能够通过手征反常产生非平衡光电流，同时利用自旋过滤效应有效分离光生电子和空穴，为高性能探测提供了理想平台。

本研究发表于《Results in Engineering》，创新性地将Co₃Sn₂S₂纳米薄膜与双曲螺旋场效应晶体管(FET)架构相结合，通过弱磁场调制实现了太赫兹探测性能的突破性提升。研究人员采用磁控溅射技术在硅衬底上制备了88.7 nm厚的Co₃Sn₂S₂薄膜，并通过450°C真空退火优化其结晶质量。利用投影微立体光刻(PμSL)技术打印了周期为150 μm的螺旋微结构阵列，构建了具有双曲色散特性的超材料(HMM)谐振腔。器件采用6单元阵列配置(2×3排列)，每个螺旋结构由直径30 μm的金属线绕制6匝而成，FET沟道宽度为150 μm，置于相邻螺旋单元之间。

3.1. 检测系统操作原理

研究团队建立了完整的测试系统，包括0.1 THz太赫兹雪崩二极管(输出功率70 mW)作为光源，以及配备亥姆霍兹线圈(产生0.0725 mT磁场)的微电流探针平台。通过系统测量获得了电压响应度(R_V)、噪声等效功率(NEP)和探测率(D*)等关键参数，为性能评估提供了量化依据。

3.2. 场效应晶体管结构对探测器性能的增强

实验结果表明，平面结构在200 V偏压下R_V为1.2×10⁵ V/W，NEP为1047 pW/Hz^1/2。施加栅极电压(V_g=30 V)后，R_V提升至2×10⁵ V/W(增强67%)，NEP降至445 pW/Hz^1/2(降低57%)。FET结构通过形成导电沟道显著降低通道电阻，促进了光生载流子的高效传输。

3.3. 磁场调制机制

在0.0725 mT磁场作用下，器件性能实现质的飞跃：R_V从2.01×10⁵ V/W提升至3.99×10⁵ V/W，NEP进一步降至256 pW/Hz^1/2。这种增强归因于自旋过滤效应选择性传输特定自旋取向的载流子，显著抑制了暗电流。同时，磁场通过改变外尔锥之间的能隙(ΔE)和诱导回旋共振效应，延长了载流子平均自由程，增强了光电导增益。

3.4. 磁电场协同效应对器件性能的增强

在200 V偏压和20 V栅压条件下，磁场调制深度达到115.2%。稳定性测试显示，器件在120分钟持续工作中响应度的相对标准偏差(RSD)无磁场时为1.2%，有磁场时为1.6%，证明了优异的操作稳定性。响应时间测量值为51 ms，主要受限于检测仪器采样率和器件的大面积结构(厘米级活性区域)。

与现有技术对比，该探测器在0.1 THz频率下的性能指标显著优于PtTe₂基器件(R_V提高285倍)，且实现了室温太赫兹探测器首例非接触磁调谐功能。虽然NEP(256 pW/Hz^1/2)高于微米尺度器件，但这是大面积设计(便于直接集成到成像阵列)与高性能之间权衡的合理结果。

本研究成功演示了通过拓扑材料物理与纳米光子工程的协同整合，突破太赫兹探测器经典性能边界的新范式。Co₃Sn₂S₂薄膜与PμSL打印双曲超材料的结合，不仅解决了灵敏度-带宽冲突，还引入了磁场可调谐的新自由度，为6G通信、量子传感等领域的实际应用奠定了坚实基础。这种通过磁场工程调控载流子动力学的方法，为未来低噪声太赫兹通信节点的实用化开辟了新的技术路径。