电荷密度波相工程实现可重构太赫兹光电逻辑器件

为解决传统半导体在太赫兹(THz)频段难以集成传感与计算功能的难题，中科院团队通过协同调控1T-TaS2电荷密度波(CDW)亚稳态相变，开发出具有5.49 A/W响应度的THz探测器，并实现μs级响应的可重构逻辑加密功能，为6G通信安全提供新型光电集成解决方案。

　　

在人工智能与大数据时代，太赫兹(THz)频段(0.1-10 THz)通信因其超高容量成为6G网络的核心技术。然而传统冯·诺依曼架构将存储与处理单元分离，难以满足THz系统实时处理需求。更棘手的是，现有半导体材料在THz频段面临灵敏度与功能集成瓶颈，亟需开发兼具传感、计算与存储功能的新型量子材料。

中国科学院团队选择典型强关联材料1T-TaS₂作为突破口。这种层状材料具有奇特的电荷密度波(CDW)现象——电子关联与晶格畸变协同作用形成周期性调制量子态。其温度驱动相变序列包含：545K以上金属相→545K非公度CDW(IC-CDW)相→350K近公度CDW(NC-CDW)相→180K以下公度CDW(C-CDW)相，其中C-CDW相因"大卫星簇"电子局域化形成莫特绝缘态。更重要的是，THz光子可共振激发CDW集体模式，通过非线性声子相互作用触发晶格畸变，实现非热相变调控。

研究团队采用化学气相传输法(CVT)生长高质量1T-TaS₂单晶，通过机械剥离获得纳米薄片。器件采用六方氮化硼(h-BN)封装保护，集成蝶形超材料天线增强THz耦合。借助半导体参数分析仪和THz倍频系统，系统表征了77-300K温区的光电响应特性。

【结构特性与多场调控】
通过巴德电荷分析发现Ta→S存在1.22|e|电荷转移。在h-BN封装器件中观察到电场驱动的NC-CDW?IC-CDW相变，临界电场随温度降低而增大（0.23V/μm@300K）。三角相图揭示温度(T)、电场(E)、光强(U)通过有效电子温度(T_e)协同调控相变势垒ΔG，当T_e>T_e-th时触发IC-CDW相变。

【THz光电流机制与响应】
0.29THz照射下获得5.49A/W响应度与1.7μs上升时间。I-V曲线平行偏移表明THz通过共振激发CDW集体模式（0.1-1THz）而非热效应，瞬时扰动Ta-Ta键长降低相变势垒。三维响应图谱显示在相变边界(V_th-H)处光电流显著增强，下降时间(11.6μs@2.5mW/cm²)呈现功率依赖性，反映缺陷钉扎导致的弛豫不对称性。

【多态逻辑实现】
利用50%电阻调谐范围（200Ω→500Ω）实现AND/OR逻辑门。通过定义光强"00/01/10"(0/2.1/4.1mW/cm²)与偏压区间(C-F/D-F/B-E)，构建可重构真值表。例如C→F模式下，"01/10"光强配合1.975V偏压可写入低阻态(LRS)，1.755V偏压实现擦除，展现非易失性存储特性。

【安全加密通信】
将RGB色彩信息编码为不同THz光强，通过定制偏压"密钥"(V1-V6)提取多维响应。窃听者仅能获取一维光强信号，而密钥持有者可解析电阻状态跃迁信息，实现如图像解密等安全通信应用。

这项研究开创性地利用CDW量子态相变工程，突破THz光电转换与信息处理的传统范式。其重要意义在于：①实现传感-计算-存储一体化集成，解决冯氏架构瓶颈；②μs级响应速度较传统测辐射热计提升千倍；③多场调控相变为新型可编程逻辑器件提供设计范式；④多维加密机制为6G通信安全提供硬件级解决方案。未来通过优化CDW材料体系与超构天线设计，有望推动THz智能感知芯片的实用化进程。