中国科大在半导体材料碲中发现巨大且可调的室温非线性霍尔效应

近日，我校合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授、李林副研究员研究团队联合高阳教授课题组，在固体材料非线性输运研究中取得重要进展。研究团队在单质半导体碲中观测到了巨大且可调的室温非线性霍尔效应，并实现了基于非线性霍尔效应的无线射频整流。相关研究成果以“Giant nonlinear Hall and wireless rectification effects at room temperature in the elemental semiconductor tellurium”为题于6月29日在线发表在《Nature Communications》上（DOI:10.1038/s41467-024-49706-y）。

非线性霍尔效应作为霍尔家族的新成员近年来引起了广泛关注。和线性响应区间的普通霍尔效应不同，非线性霍尔效应是对纵向交流电流的二阶电场响应，可以在不施加任何外磁场的情况下，在横向产生倍频信号以及直流信号。这也使得非线性霍尔效应在倍频和整流器件等领域有着广泛的应用前景。然而，先前报道的非线性霍尔效应往往存在输出电压输出过小和工作温度过低的问题，阻碍了相关的器件应用。到目前为止，室温下的非线性霍尔效应只在狄拉克半金属BaMnSb2和外尔半金属TaIrTe4中观测到，但电压输出都相对较小且缺少可调控性。

研究团队另辟蹊径，探索在半导体材料中寻找具有优异非线性霍尔表现的材料体系。他们对碲单质半导体薄片的非线性响应行为进行了系统研究，发现碲薄片存在显著的室温非线性霍尔效应，且通过外加栅压可以显著调控输出电压幅值。在300 K温度下，非线性霍尔电压的最大输出幅值可以达到2.8 mV，比此前报道体系中的最高记录高出一个量级。在此基础上，研究团队利用射频激励取代交流电流驱动，进一步实现了显著的无线整流效应，在较宽的0.3~4.5 GHz频率范围内实现了稳定的整流电压输出。结合进一步的实验和理论分析，室温非线性霍尔效应主要由外禀散射机制主导，而薄片结构的表面对称性破缺起到了重要作用。该工作进一步加深了对固体中非线性输运的理解，同时也为设计实现非线性电子学器件提供了重要材料候选。

图：（a）碲的晶体结构示意图及基于碲薄片的测试器件。（b）不同电流方向下非线性霍尔电压随交流电流的变化关系。（c）非线性霍尔电压输出幅值及工作温度与其他体系的对比。（d）基于非线性霍尔的无线射频整流效应。

近年来，曾长淦、李林研究团队在半导体碲的新奇电子态和输运性质研究中取得了系列进展，包括首次确证碲为一类结合拓扑和半导体双重属性的“外尔半导体”（PNAS 117, 11337 (2020)）；与北京大学孙栋教授合作，利用中红外圆偏振光电效应揭示独特的外尔光学响应（Nat. Commun. 13, 5425 (2022)）；基于碲的特殊能带结构，设计实现了一类新型“拓扑场效应晶体管”（Phys. Rev. Appl. 17, 054044 (2022)）。在本研究工作中，碲在非线性响应区间优异输运性能的发现，将进一步激发人们对于这类“简单”半导体材料新奇物性和应用的探索。