具有墨西哥帽能带结构的拓扑半导体中的强长波红外光学响应

尽管在热成像、远距离传感等技术领域具有广泛的应用潜力，但工作于远红外至中红外（FIR/MIR）波段（$8$-$12~\rm \mu m$，$0.1$-$0.15~\rm eV$）的光源和光电探测器的发展，相较于可见光和近红外波段仍相对滞后。这在一定程度上归因于缺乏具有高光学增益和吸收的窄带隙材料（$<0.1~\rm eV$）。本工作展示了一种窄带隙半导体 $\rm Pb_{0.7}Sn_{0.3}Se$，其光学响应比 FIR/MIR 探测器的主流材料 $\rm Hg_{x}Cd_{1-x}Te$ (MCT) 大 $>10$ 倍。先前的理论研究表明，该材料中硫族元素 $p$ 带与金属 $d$ 带的反转会形成墨西哥帽带结构 (MHBS)，与典型半导体相比，这导致光学跃迁边处的联合态密度急剧增加。本文利用 $\rm Pb_{0.7}Sn_{0.3}Se$ 单晶样品，在 $1.7$-$20~\rm \mu m$（$0.73$-$0.062~\rm eV$）波长范围内进行温度依赖的椭圆偏振光谱测量，实验验证了这一预测。这些测量结果表明，在吸收边附近，消光系数和折射率表现出 MHBS 特有的大幅增强，与理论预测一致。具有 MHBS 的拓扑半导体的实现有望催生工作于 FIR/MIR 波段的高效探测器。