拓扑半金属是一种含有全新拓扑电子态的晶体材料,其体能带在费米能级附近相交形成线性色散的能带交叉点,且具有丰富多样的拓扑表面态,是目前量子材料领域研究的前沿和热点。根据能带交叉点在晶格动量空间分布的不同,拓扑半金属可以分为狄拉克半金属、外尔半金属和拓扑节线半金属。随着理论以及实验研究的深入,多种拓扑半金属材料相继被发现,多种电子性能被挖掘,包括负磁阻、巨磁电阻、反常霍尔效应、超导、高载流子迁移率等。而在光场下,拓扑半金属无能隙的线性能带结构带来的全波段光响应性质,使得拓扑半金属晶体有望表现出许多突破传统光学的特殊光学性能,但是由于这类材料发展时间较短,目前的研究主要集中在电子性能,而关于其光学性能的研究相对较少。另外,材料中电子的本征态决定材料包括光学性能在内的本征性质,反之,材料性能的发现对材料中电子行为的揭示有重要的作用,因此,研究拓扑半金属晶体的线性及非线性光学性能对深入认识拓扑半金属材料具有重要意义,同时可以推动拓扑半金属在新型光电子器件方面的应用进展。在众多拓扑半金属晶体材料中,本论文选取了两种典型的拓扑半金属材料,外尔半金属TaAs晶体和拓扑节线半金属ZrSiS晶体,研究了其线性及非线性光学性能,包括基本光学常数、光电性质以及倍频、三倍频效应等,基于晶体物理的基本理论,揭示了拓扑半金属电子结构与光学性能之间的构效关系,区分了拓扑表面态与体块态对电子响应的贡献,证实了外尔半金属TaAs晶体优异的室温宽波段光电探测性能以及拓扑节线半金属ZrSiS晶体拓扑表面态高效的非线性频率转换能力,突破了传统材料的限制,拓展了光电材料以及非线性光学材料的种类,同时也为拓扑表面电子态的研究提供了新的思路。主要工作如下(本论文所用高质量TaAs晶体和ZrSiS晶体均由合作导师王刚研究员提供):一、外尔半金属TaAs晶体的线性光学以及光电性能研究1.从外尔半金属TaAs单晶(采用化学气相传输法生长)的晶体结构(点群4mm)出发,结合其费米弧表面态的对称性破缺(点群mm2),基于对(001)晶面的表面质量以及截止面原子的表征,研究了 TaAs(001)晶面的线性光学响应的各向异性,包括反射率、折射率以及光电导等,通过对称性分析,发现其线性光学性质主要由表面态费米弧贡献。基于此,进一步分析了室温下TaAs的电子迁移率,沿布里渊区kx和ky方向分别为8.6×103 cm2 V-1 s-1和9.1×103 cm2 V-1 s-1,与室温下石墨烯的电子迁移率相当,这对于发展新型的低能耗电子及光电子器件具有重要意义。2.基于外尔半金属TaAs晶体的高载流子迁移率以及宽波段光吸收性质,研究了 TaAs晶体的宽波段光电探测性能。以(001)晶面为光吸收面,表征了 TaAs晶体的宽波段光吸收性质,并通过改变入射光斑位置以及电极材料初步优化了其光电性能,在此基础上,研究了连续激光以及脉冲激光辐射下的光电流(均随入射功率呈线性增加),并表征了其响应度和探测度随入射光功率以及入射光波长的变化。讨论了外尔半金属光电流产生的机理并深入研究了其光电探测性能与其特殊的能带结构之间的关系:外尔点附近降低的电子态密度有效抑制了热致载流子的产生,使其能够实现室温下的光电探测;在低能量光子(波长9.54 μm和10.29μm)入射的情况下,电子跃迁发生在三维动量空间中体能带的线性色散区域,即电子恰好从外尔点的下部被激发至上部,这导致了光电流的增加,增强了其光电响应。该实验证实了外尔半金属TaAs晶体的室温宽波段(438.5nm-10.29μm)光电探测能力,TaAs大的光吸收系数以及外尔点的存在使其在宽波段光电探测方面比石墨烯和窄带隙半导体更具优势,为外尔半金属在光电探测领域中的应用提供了契机。二、外尔半金属TaAs晶体的非线性光学性能研究研究了 TaAs晶体倍频效应的色散关系,验证了 TaAs晶体具有较强的二阶非线性光学效应,并证实在近红外区域(800-1470nm),TaAs晶体的二阶非线性光学效应具有很小的波长依赖性。利用Z-scan技术,研究了 TaAs(001)晶面反射率的非线性光学响应,并通过改变入射光的偏振方向以及光电导与反射率的转换关系,得到了各向异性的光电导的非线性光学响应。基于晶体物理的基础知识,拟合得到了三阶非线性光电导张量矩阵,发现其满足体块态的4mm对称性,考虑到光的穿透深度(22nm),证实TaAs晶体的三阶非线性光电导来源于体块态电子的贡献。另外,实验分析表明TaAs晶体的吸收是可饱和的,计算得到其饱和强度约为103 GW cm-2,远远高于石墨烯的饱和强度(0.71-0.61 MWcm-2),有望在超快光子学的光开关方面得到应用。进一步分析了强光场下的电子迁移率,发现强光场对电子迁移率具有加速作用,为材料电子迁移率的调控提供了新的思路。三、拓扑节线半金属ZrSiS晶体的非线性光学性能研究拓扑节线半金属ZrSiS晶体具有中心对称的结构(空间群P4/nmm),理论上体块态不存在二阶非线性光学响应,但对于ZrSiS的拓扑表面态来说,由于中心对称性的破缺,允许二阶非线性光学效应的存在。基于此,通过反射的方法研究了 ZrSiS(001)晶面的倍频以及三倍频的偏振依赖性,发现其各向异性均满足表面态对称性,从晶体对称性的角度证实了 ZrSiS的倍频以及三倍频均来源于表面态电子的贡献。根据表面态对称性拟合得到了二阶非线性极化系数4780(± 920)pm V-1和三阶非线性极化系数7.47×10-12m2 V-2,远远超过传统的非线性光学晶体。为了进一步确定ZrSiS晶体巨大非线性的来源,对于二阶非线性光学效应,测试了倍频强度对于入射光角度的依赖性,排除了体电四极子效应的贡献;对于三阶非线性光学效应,定量计算了由体块态贡献的三阶非线性极化系数,结果显示基本可以忽略,并且利用反射式的Z-scan技术测试了其三阶非线性极化系数,与通过三倍频实验得到的结果非常接近。在非线性频率转换方面,ZrSiS原子级厚度的(001)晶面的倍频和三倍频转换效率分别达到0.11‰和0.43‰,突破了非线性光学中高效率的频率转换依赖于大尺寸透明晶体的传统认知。最后,从表面态电子能带结构的角度揭示了费米能级附近的表面态能带的虚电子激发过程对其二阶非线性光学响应的决定性作用。综上所述,本论文通过研究外尔半金属TaAs晶体和拓扑节线半金属ZrSiS晶体的线性以及非线性光学性能,一方面基于晶体物理的基本理论,揭示了拓扑半金属电子态与其光学性能之间的构效关系,发现了拓扑半金属体态以及表面态费米能级附近的电子态对其光学性能的决定性作用,另一方面证实了拓扑半金属晶体在光电探测以及非线性频率转换方面的应用潜力,可能在新型光子以及光电子领域有应用前景。