综述：拓扑绝缘体、晶体绝缘体及半金属在红外光电探测器中的应用：材料制备与表征、器件结构与性能

《Optics & Laser Technology》：Topological insulators, crystalline insulators, and semimetals in infrared photodetector: materials preparation and characterization, device structure and performance

拓扑材料因其独特的能带结构和表面态在红外探测器中表现出色。研究综述了三种拓扑材料（拓扑绝缘体、拓扑晶格绝缘体、拓扑半金属）的制备方法（CVD、机械剥离、PVD、MBE）及器件结构（异质结、薄膜），分析了响应度（最高2×10^4 A/W）、检测度（最高1×10^14 Jones）、响应时间（最快10^-3 s）和检测波长范围（近红外至长波红外）。发现异质结结构通过内置电场显著提升性能，拓扑半金属因间隙less能带在长波红外检测中优势明显，而拓扑晶格绝缘体因对称性保护稳定表面态。未来需优化制备工艺和异质结设计，以实现高灵敏、宽带、高速的红外探测器。

　　在现代光电子系统中，红外探测器扮演着至关重要的角色，广泛应用于光学成像、信息通信、医疗、环境监测、工业自动化和军事防御等多个领域。传统半导体材料如硅、锗、InGaAs和HgCdTe等已被广泛用于构建红外探测器，但这些材料存在诸多限制，如较低的电子迁移率、较高的热噪声影响、较差的温度稳定性、有限的波长响应范围以及较差的抗辐射性能。尤其是电子迁移率的不足，从根本上限制了它们的传输性能，导致在外部电场作用下载流子动力学反应变慢，同时载流子容易受到缺陷和杂质的散射，影响了其导电性和光电响应速度。这些因素显著制约了红外探测器性能的扩展，限制了其在下一代应用中的潜力。因此，深入探索新型光电子材料以克服这些限制成为一项迫切的任务。

近年来，一种新型材料系统——拓扑材料，因其卓越的电子和光电子特性而迅速崭露头角。拓扑材料的核心特征是其电子能带结构中存在全局拓扑保护性质，主要表现为非平凡的拓扑不变量，如陈数和Z2不变量。这些材料展现出深刻的体-边界对应关系：尽管体相可能是绝缘体或半金属，但拓扑保护的金属表面态必然出现在表面或界面。这些表面态表现出线性色散关系，展现出无质量的狄拉克费米子行为，同时对非磁性杂质、晶格缺陷和表面形貌变化表现出强大的鲁棒性，反映出其拓扑性质对连续形变的不敏感性。此外，拓扑材料通常表现出由贝里曲率引起的非常规输运现象，如手性异常和异常霍尔效应，赋予其电子输运以独特的物理特性。

根据其基本对称性和电子结构，拓扑材料可以分为几个不同的子类。拓扑绝缘体具有由时间反演对称性保护的螺旋边界态，表现出自旋动量锁定，从而抑制后向散射并实现低耗散的自旋输运。拓扑晶体绝缘体则依赖于晶体对称性，如镜像或旋转操作，以稳定金属表面态，强调晶格对称性在维持拓扑不变量中的关键作用。拓扑半金属则以其对称保护的能带接触点为特征，产生非常规的低能准粒子。拓扑半金属可以进一步分为狄拉克半金属和威耳半金属，其中狄拉克半金属又可分为类型I和类型II：类型I狄拉克半金属表现出对称的四重简并狄拉克点，而类型II狄拉克半金属则表现出高度倾斜的狄拉克锥；类型I威耳半金属由成对的威耳点组成，具有点状费米面，而类型II威耳半金属则表现出高度倾斜的威耳点，导致费米面的开放或交叉。这些相的稳定性从根本上依赖于保护对称性，包括时间反演、晶体和粒子-空穴对称性，这些对称性确保了其非平凡的拓扑不变量。除了其基础重要性，这些拓扑相还表现出显著的物理现象：拓扑绝缘体中的自旋动量锁定促进了鲁棒的自旋输运，而半金属中的狄拉克和威耳费米子则表现出超高的载流子迁移率、大的磁阻以及异常输运效应，如手性异常和拓扑霍尔效应。

同样，拓扑材料因其独特的费米面附近能带结构而受到红外探测领域的广泛关注。每种拓扑材料都伴随着相应的拓扑表面态，这些表面态能够在宏观尺度上表现出新颖的量子现象，包括量子异常霍尔效应、高载流子迁移率和线性能量-动量色散关系。由于其独特的费米面附近能带结构，拓扑材料在红外探测领域引起了广泛关注。每类拓扑材料都伴随着相应的拓扑表面态，这些表面态能够表现出新颖的宏观量子现象，如量子异常霍尔效应、高载流子迁移率和线性能量-动量色散关系。拓扑能带结构及其相关性质可以通过多种机制提升红外探测器的性能。首先，拓扑表面态提供了低散射、高迁移率的载流子通道，使光生载流子能够迅速到达电极，从而显著提升光电响应速度和探测器灵敏度。其次，拓扑保护的表面态对非磁性缺陷、杂质和晶格畸变表现出鲁棒性，有效抑制载流子复合，减少暗电流，提高信噪比。此外，拓扑不变量调控载流子输运，使器件能够表现出异常输运现象，如手性异常和异常霍尔效应，从而赋予其额外的功能，包括增强的光电流、非线性响应和偏振选择性。值得注意的是，拓扑半金属的线性色散和高迁移率提高了长波红外响应效率，而拓扑绝缘体和拓扑晶体绝缘体的稳定表面态则延长了载流子寿命，确保了其在宽温度范围和复杂操作条件下的高性能表现。总之，这些材料的能带结构和拓扑表面态通过快速载流子输运、复合抑制和非常规输运效应协同优化了红外探测器的性能，为设计高灵敏度、高速和多功能的红外探测器提供了有前景的材料策略。

在红外探测器领域，拓扑材料的应用已经取得了显著进展。例如，早在2010年，Zhang等人基于理论计算提出了Bi2Se3在宽频带和高性能光学检测方面的巨大潜力，能够实现从太赫兹到红外的宽谱范围的光检测。随后，在2014年，Yan等人首次成功制备了基于Bi2Se3纳米片的光电设备，并展示了出色的光电性能。2013年，Safdar等人通过化学气相沉积（CVD）首次合成了单晶SnTe，并展示了SnTe中狄拉克费米子的存在，这表明SnTe在光电子检测领域具有巨大潜力。之后，2017年，Jiang等人首次使用分子束外延（MBE）制备了大面积SnTe薄膜红外探测器。2016年，Conte等人通过理论计算研究了狄拉克半金属Cd3As2的电子和光学吸收特性，阐明了其在光检测领域的潜在应用，随后在2017年，Wang等人率先制备了基于Cd3As2纳米片的红外探测器。2019年，Osterhoudt等人报告了基于I型威耳半金属TaAs的微器件在中红外波段表现出显著的体光伏效应，这归因于材料的拓扑特性。随后，Xu等人使用II型狄拉克半金属PtTe2及其与石墨烯的范德华异质结构制备了太赫兹探测器，展示了其在大面积太赫兹成像中的适用性。此外，Wang等人观察到了基于II型威耳半金属Td-WTe2的边缘处的鲁棒光电流响应，这种响应来源于特定晶体解理方向上的对称性破坏，且在广泛的光子能量范围内保持稳定。这些研究团队在不同光谱范围（从红外到长波太赫兹）中对基于拓扑半金属的光电探测器进行了多波长协同探索，突显了拓扑材料在宽带光检测方面的巨大潜力。集体的努力推动了拓扑材料器件从基础研究向实际应用的转变。

截至目前，基于三种拓扑材料的红外探测器研究已经进行了十多年，积累了大量研究结果，涵盖制备技术、表征方法、探测器结构和性能等多个方面。Yang等人总结了基于拓扑绝缘体的光电探测器的发展，如Bi2Se3和Bi2Te3，详细讨论了其工作原理、制备方法、关键性能指标以及实现宽带和超快检测的显著进展。文章还提供了关于柔性及偏振光电探测器的应用挑战和未来研究方向的宝贵见解。Yu等人则聚焦于新兴的拓扑半金属，将其分为狄拉克、威耳和节点线类型，根据其能带结构进行分类。他们展示了这些材料在先进电子设备（如晶体管和高性能宽带光电探测器）中的基本特性、可控合成策略和有前景的应用。文章还提供了未来机遇的展望，特别是关于晶圆级合成和功能集成方面的内容。虽然这些综述做出了重要贡献，但未来的研究可能会进一步受益于对不同类拓扑材料的系统性比较研究，以及对微观物理机制与器件性能之间内在联系的更深入探索。此外，扩展对实际方面如大规模制造、材料稳定性以及与现有技术集成的讨论，可以提供更有力的指导，以推动实际应用的发展。为了进一步促进这一领域的发展，迫切需要进行系统的总结和综述。因此，本文旨在全面总结基于三种拓扑材料的红外探测器当前研究现状，涵盖材料制备、材料表征、器件结构和性能表征。本研究提供了三种材料系统的系统概述，包括制备方法、表征技术以及红外器件架构。特别强调了关键性能参数，如响应度、探测度、响应时间和检测波长。通过将拓扑能带结构与电子特性相关联，阐明了探测器性能提升的机制。此外，采用数据可视化技术直观呈现和验证这些结论，从而增强分析的可解释性和可靠性。具体而言，第一部分将总结三种拓扑材料的制备方法；第二部分将讨论三种拓扑材料的表征方法；第三部分将概述基于拓扑材料的红外探测器的结构；第四部分将总结基于拓扑材料的红外探测器的性能；第五部分将探讨基于当前研究进展的拓扑材料红外探测器的未来前景；最后，我们编译了表2，以确保全面的数据覆盖和有效的趋势分析，总结了关键信息，包括材料类型、制备方法、响应度、探测度、响应时间和检测波长，从而为后续的可视化分析提供了清晰的基础。

综上所述，拓扑材料在红外探测器中的应用展现出巨大的潜力。通过对其制备方法、表征手段、器件结构及性能的系统研究，我们可以深入了解其在光电领域的优势与挑战。不同类型的拓扑材料展现出不同的性能特征，例如拓扑绝缘体在近红外波段具有较高的响应度和探测度，而拓扑半金属则在中红外到长波红外波段表现出更优异的响应性能。同时，拓扑材料的拓扑保护特性使其在提高响应速度和扩展光谱响应范围方面具有独特优势。这些发现揭示了材料类别与器件性能之间的内在联系，表明能带结构和表面态决定了响应速度和光谱覆盖范围，为设计高灵敏度、多波段和高速红外探测器提供了指导。