低维半导体偏振光探测器研究进展

偏振光探测在遥感成像、环境监测、医疗检测和军事设备等领域都具有很好的应用价值,目前已经有一系列偏振探测和成像产品.随着信息器件进一步小型化、集成化,基于新型低维材料的偏振光探测器可以直接利用材料本征的各向异性对偏振光进行感知,在未来偏振光探测领域有很好的应用前景.很多二维/一维半导体材料,例如:黑磷, ReS_2, GaTe, GeSe, GeAs及ZrS_3等,都具有较强的本征面内各向异性,可以用于高性能偏振光探测器.基于此类低维半导体材料设计的不同结构类型的偏振光探测器已经覆盖了紫外、可见以及红外等多个波段.本文总结了近年来相关领域的研究进展和我们课题组的一些工作.     

偏振敏感材料中具有圆各向异性的偏振全息光栅

在向列相液晶中掺杂质量分数约0.2%的偶氮侧链型聚合物制成偏振敏感材料,使用正交圆偏振光记录了具有圆各向异性的一维偏振全息光栅,用线偏振光探测偏振全息光栅,得到正,负一级衍射光也为线偏振光,且偏振态与探测光和零级偏振态相互正交,可以运用琼斯矩阵理论加以解释.偏振全息光栅可由外加电场控制衍射级的变化,即在外加电场作用下,正、负一级衍射产生了90°的相位差.在频率6.05 Hz、电压2.2 V的外场作用下,衍射级的极值振荡变化.     

基于PdSe2/GaAs异质结的高灵敏近红外光伏型探测器的制备和图像传感的应用

本文制备了一种基于PdSe₂/GaAs异质结的高灵敏近红外光电探测器，该探测器是通过将多层PdSe₂薄膜转移到平面GaAs上制成的. 所制备的PdSe₂/GaAs异质结器件在808 nm光照下表现出明显的光伏特性，这表明近红外光电探测器可以用作自驱动器件. 进一步的器件分析表明，这种杂化异质结在零偏电压和808 nm光照下具有1.16×10⁵的高开关比. 光电探测器的响应度和比探测度分别约为171.34 mA/W和2.36×10¹¹ Jones. 而且，该器件显示出优异的稳定性和可靠的重复性. 在空气中2个月后，近红外光电探测器的光电特性几乎没有下降，这归因于PdSe₂的良好稳定性. 最后，基于PdSe₂/GaAs的异质结器件还可以用作近红外光传感器.     

分振幅偏振成像相机标定方法研究

在分振幅偏振成像探测器标定过程中,针对标定系统引入的误差和探测器自身误差的超多影响因素的强耦合问题,提出采用一种非线性最小二乘拟合法,将探测器与标定系统的主要误差影响因素以未知参数的方式代入拟合方程中进行标定计算.在波段为532 nm的入射光源下,对标定后探测器的精度进行了验证.探测线偏振光的偏振角误差在0.2°以内,线偏振度误差在2.5%以内,探测左右旋圆偏振光的圆偏振度误差在3.5%以内,满足了天空偏振探测的应用.非线性最小二乘拟合法可以有效的标定分振幅偏振成像探测器.     

利用脉冲激光沉积外延制备CsSnBr3/Si异质结高性能光电探测器

钙钛矿半导体具有光吸收系数高、载流子扩散长度大和荧光量子效率高等优异物理特性,已在光电探测器、太阳能电池等领域展现出重要的应用潜力.但卤化铅钙钛矿的环境毒性和稳定性大大限制了该类器件的应用范围.因此,寻找低毒、稳定的非铅钙钛矿半导体尤为重要.利用锡元素替代铅元素并生长高质量的锡基钙钛矿薄膜是实现其光电器件应用的可行方案.本文采用脉冲激光沉积方法,在N型单晶硅(100)衬底上外延生长了一层(100)取向的CsSnBr₃钙钛矿薄膜.霍尔效应及电学测试结果表明,基于CsSnBr₃/Si半导体异质结在暗态下具有明显的异质PN结电流整流特征,在光照下具有显著的光响应行为,并具有可自驱动、高开关比(10⁴)以及毫秒量级响应/恢复时间等优良光电探测器件性能.本文研究结果表明利用脉冲激光沉积方法在制备新型钙钛矿薄膜异质结、实现快速灵敏的光电探测方面具有重要应用前景.     

界面电偶极子对GaN/AlGaN/GaN光电探测器紫外/太阳光选择比的影响

在GaN/AlGaN/GaN倒置异质结光电二极管（IHP）中，存在于AlGaN/GaN异质结界面处强烈的极化效应对器件的紫外/太阳光(UV/Solar)选择比产生了重要的影响.将极化效应总的影响分为两部分：电偶极子和极化项，在建立的GaN/AlGaN/GaN结构IHP模型的基础上，对电偶极子 对器件UV/Solar选择比的影响进行了分析.分析结果表明，只有在考虑电偶极子的影响时， 光电探测器的UV/Solar选择比在10³数量级左右，与实验结果符合较好.因此， 在IHP中必须考虑电偶极子的影响. 关键词： 紫外/太阳光选择比 太阳盲区探测器 极化 电偶极子     

偏振敏感双机制增强近红外GeSn等离型光电探测器设计（特邀）（英文）

为了解决GeSn光电探测器反应能力不足和信号噪声比差等方面的不足,提出一种偏振敏感的双机制增强的GeSn光电探测器。该光电探测器同时具有法布里-珀罗模式和表面等离激元模式,其中,GeSn薄膜和二氧化硅薄膜提供了法布里-珀罗模式,而表面等离激元来源于附加在GeSn表面的Au光栅。模拟结果表明,该双机制增强的GeSn光电探测器将2 000 nm波长处的光学吸收率由20%提高到80%。此外,在2 000 nm时,TM光及TE光吸收率分别为80%和2.6%,消光比为31。高消光比表明该结构具有良好的偏振选择性。这些结果为新型GeSn光电探测器的开发提供了思路。     

电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构调控

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构的调控,发现当层间距d=2.83Å时异质结结构最稳定,且表现为Ⅱ型间接带隙半导体,其带隙为0.68 eV。通过施加垂直平面方向电场可有效调控PtO2/MoS2异质结电子结构,当外电场为-1 V/Å时,发生半导体-金属相变。这些研究结果表明PtO2/MoS2异质结在新型二维材料光电纳米器件方面具有广泛应用前景。     

基于Pt/GaN/AlGaN异质结高响应度双波段紫外探测器

提出一种在AlGaN基PIN器件的p-GaN表面上沉积Pt,形成肖特基势垒(SB)-PIN异质结器件,器件的能带和载流子的输运发生了变化,这种新型光电探测器实现了双波段紫外探测,可分别工作在光伏和光电导模式下。器件在275 nm波长的紫外光照射的负偏置电压下,工作模式为光伏探测,当入射光功率密度为100μW/cm²,偏置电压为-10 V时,器件得到最大响应度(0.12 A/W);当偏置电压为-0.5 V时,器件得到最大探测率(1.0×10¹³ cm·Hz^1/2·W^-1)。器件在正偏置电压工作模式下可作为高响应、高增益的光电导探测器,当偏置电压为+10 V时,用275 nm和365 nm波长的紫外光照射(光功率密度为100μW/cm²),器件的响应度分别为10 A/W和14 A/W,外量子效率分别为4500%和4890%。所设计的双波段多功能器件将极大地扩展基于AlGaN的紫外探测器的用途。     

CH3 NH3 PbBr3表面修饰对SnO2基光电探测器性能的影响

SnO_2基紫外探测器具有较高的光响应度,但由于材料存在持续光电导效应,其响应时间较长,限制了其在光电探测领域的应用。为此,我们研究了表面修饰对SnO_2基光电探测器件的性能影响。采用化学气相沉积的方法制备了高结晶质量的SnO_2微米线,并在此基础上制备了基于单根SnO_2微米线的光电探测器。同时制备了高质量的钙钛矿CH_3NH_3PbBr_3材料,并与SnO_2微米线结合制备出经过修饰的SnO_2基器件。两种器件在紫外波段都呈现出明显的光响应,响应峰值位于250 nm处。相比单根SnO_2微米线器件,经过修饰后的SnO_2微米线探测器的响应度提高了10倍,响应时间由单根SnO_2微米线器件的几百乃至上千秒缩短为0.9 s。这一研究结果说明我们所采用的方法非常有望应用到高性能SnO_2光电探测器的制备中。     

非共振圆偏振光作用下单层二硫化钼电子结构及其自旋/谷输运性质

基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型和久保线性响应理论,研究了外部非共振圆偏振光作用下单层二硫化钼(MoS_2)电子结构及其自旋/谷输运性质.研究结果表明:单层MoS_2布里渊区K谷和K′谷附近自旋依赖子带间的能隙随着非共振右旋圆偏振光引起的有效耦合能分别线性增大和先减小后增大,随着非共振左旋圆偏振光引起的有效耦合能分别先减小后增大和线性增大,实现了系统能带结构有趣的半导体-半金属-半导体转变.此外,单层MoS_2在外部非共振圆偏振光作用下,呈现有趣的量子化横向霍尔电导和自旋/谷霍尔电导,自旋极化率在非共振右/左旋圆偏振光有效耦合能±0.79 eV附近达到最大并发生由正到负或由负到正的急剧转变,谷极化率随着非共振圆偏振光有效耦合能先增大后减小并在其绝对值0.79-0.87 eV范围内达到100%.因而,可以利用外部非共振圆偏振光将单层MoS_2调制成自旋/谷以及光电特性优异的新带隙材料.     

高性能涂层材料La2Zr2O7的反射偏振光谱特性

稀土锆酸盐(RE₂Zr₂O₇, RE为稀土元素)体系材料具有热导率低、高温相结构稳定、抗化学腐蚀和价格相对低廉等优势,近年来在热障涂层、环境障涂层和核防护涂层等领域得到广泛而深入的应用,获得了广泛关注。然而,目前对该涂层材料的研究主要还是集中在热学、力学及电学性能等,对光学性能特别是反射光的偏振特性研究则鲜见报道。以锆酸镧(La₂Zr₂O₇)为代表,系统研究了稀土锆酸盐光学偏振特性,特别分析了材料表面属性与光学偏振特性的对应关系。实验中利用固相反应法分别合成制备了La₂Zr₂O₇粉体和致密块体材料,并利用XRD(X-ray diffraction), Raman spectra和SEM (scanning electron microscope)等分析表征其微观结构,结果显示制备的La₂Zr₂O₇材料为立方焦绿石相结构。在光学性能分析中,分别用自然光和线偏振光作为探测光源,在不同探测角下研究其反射光偏振特性。研究表明,对于自然光入射,La₂Zr₂O₇块体和粉体材料的线偏振度（DOLP）与入射光波长呈现显著的依赖关系,随着波长的增加,DOLP呈现出先增大后减小的趋势。值得注意的是在红外波段,DOLP迅速降低并接近于0,表明该材料在红外波段表现出良好的偏振隐身特性。研究还发现,在自然光入射时,致密块体材料的DOLP分别在波长~720和~773 nm出现极大值,且峰值波长对探测角度不敏感,粉体材料在~714和~774 nm附近也出现两个峰。在线偏振光入射,块体材料在大角度探测角下,DOLP在~720和~763 nm出现两个峰,与自然光入射光不同的是,同一个探测角下两个峰的峰值大小基本相同,粉体材料则在~720和~755 nm附近出现两个峰,且峰值强度减弱,说明涂层材料的粗糙度对反射光的偏振特性有一定影响,研究进一步显示,两个峰值对应的波长与探测角无显著依赖关系。本研究结果为稀土锆酸盐涂层材料的偏振光谱学的开发、应用和设计提供理论和实验支撑。     

石墨烯封装单层二硫化钼的热稳定性研究

将单层二硫化钼用石墨烯进行封装,构造了石墨烯和二硫化钼的范德瓦耳斯异质结构,并且分别在氩气（Ar）和氢气（H₂）氛围下,详细研究了被封装的二硫化钼的热稳定性.结果表明：在氩气氛围中,石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直保持稳定,而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在1000℃时几乎全部分解;在氢气氛围中,石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直稳定存在,而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在800℃下已经完全分解.综上可得,在氩气和氢气的氛围下,被石墨烯封装的二硫化钼的热稳定性得到了显著的提高.该研究通过用石墨烯将单层的二硫化钼进行封装以提高其热稳定性,在未来以单层二硫化钼作为基础材料的电子器件中,可以保证其在高温下能够正常工作.该研究也为提高其他二维材料的热稳定性提供了一种可行的方法和思路.     

Electronic and optical properties of 3N-doped graphdiyne/MoS2 heterostructures tuned by biaxial strain and external electric field

The construction of van der Waals (vdW) heterostructures by stacking different two-dimensional layered materials have been recognised as an effective strategy to obtain the desired properties. The 3N-doped graphdiyne (N-GY) has been successfully synthesized in the laboratory. It could be assembled into a supercapacitor and can be used for tensile energy storage. However, the flat band and wide forbidden bands could hinder its application of N-GY layer in optoelectronic and nanoelectronic devices. In order to extend the application of N-GY layer in electronic devices, MoS₂ was selected to construct an N-GY/MoS₂ heterostructure due to its good electronic and optical properties. The N-GY/MoS₂ heterostructure has an optical absorption range from the visible to ultraviolet with a absorption coefficient of 10⁵ cm^-1. The N-GY/MoS₂ heterostructure exhibits a type-Ⅱ band alignment allows the electron-hole to be located on N-GY and MoS₂ respectively, which can further reduce the electron-hole complexation to increase exciton lifetime. The power conversion efficiency of N-GY/MoS₂ heterostructure is up to 17.77%, indicating it is a promising candidate material for solar cells. In addition, the external electric field and biaxial strain could effectively tune the electronic structure. Our results provide a theoretical support for the design and application of N-GY/MoS₂ vdW heterostructures in semiconductor sensors and photovoltaic devices.     

Role of graphene in improving catalytic behaviors of AuNPs/MoS2/Gr/Ni-F structure in hydrogen evolution reaction

The efficient production of hydrogen through electrocatalytic decomposition of water has broad prospects in modern energy equipment. However, the catalytic efficiency and durability of hydrogen evolution catalyst are still very deficient, which need to be further explored. Here in this work, we prove that introducing a graphene layer (Gr) between the molybdenum disulfide and nickel foam (Ni-F) substrate can greatly improve the catalytic performance of the hybrid. Owing to the excitation of local surface plasmon resonance (LSPR) of gold nanoparticles (NPs), the electrocatalytic hydrogen releasing activity of the MoS₂/Gr/Ni-F heterostructure is greatly improved. This results in a significant increase in the current density of AuNPs/MoS₂/Gr/Ni-F composite material under light irradiation and in the dark at 0.2 V (versus reversible hydrogen electrode (RHE)), which is much better than in MoS₂/Gr/Ni-F composite materials. The enhancement of hydrogen release can be attributed to the injection of hot electrons into MoS₂/Gr/Ni-F by AuNPs, which will improve the electron density of MoS₂/Gr/Ni-F, promote the reduction of H₂O, and further reduce the activation energy of the electrocatalyst hydrogen evolution reaction (HER). We also prove that the introduction of graphene can improve its stability in acidic catalytic environments. This work provides a new way of designing efficient water splitting system.     

基于熔融玻璃的预沉积法生长毫米级单晶MoS2及WS2-MoS2异质结

MoS₂是一种具有优异光电性能和奇特物理性质的二维材料,在电子器件领域具有巨大的应用潜力.高效可控生长出大尺寸单晶MoS₂是该材料进入产业应用所必须克服的重大难关,而化学气相沉积技术被认为是工业化生产二维材料的最有效手段.本文介绍了一种利用磁控溅射预沉积钼源至熔融玻璃上,通过快速升温的化学气相沉积技术生长出尺寸达1 mm的单晶MoS₂的方法,并通过引入WO₃粉末生长出了二硫化钼与二硫化钨的横向异质结(WS₂-MoS₂).拉曼和荧光光谱仪测试表明所生长的样品具有较好的晶体质量.利用转移电极技术制备出了背栅器件样品并对其进行了电学测试,在室温常压下开关比可达10~5,迁移率可达4.53 cm~2/(V·s).这种低成本高质量的大尺寸材料生长方法为二维材料电子器件的大规模应用找到了出路.     

(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06

在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N（共）掺杂的TiO₂/MoS₂异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO₂/MoS₂异质结的带隙相比于纯的TiO₂（101）表面明显变小,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO₂（101）表面和单层MoS₂之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO₂/MoS₂异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结和对TiO₂/MoS₂异质结加压都能有效地提高材料的光学性能.     

MoS2/Si tunnel diodes based on comprehensive transfer technique

Due to the pristine interface of the 2D/3D face-tunneling heterostructure with an ultra-sharp doping profile, the 2D/3D tunneling field-effect transistor (TFET) is considered as one of the most promising low-power devices that can simultaneously obtain low off-state current (I_OFF), high on-state current (I_ON) and steep subthreshold swing (SS). As a key element for the 2D/3D TFET, the intensive exploration of the tunnel diode based on the 2D/3D heterostructure is in urgent need. The transfer technique composed of the exfoliation and the release process is currently the most common approach to fabricating the 2D/3D heterostructures. However, the well-established transfer technique of the 2D materials is still unavailable. Only a small part of the irregular films can usually be obtained by mechanical exfoliation, while the choice of the chemical exfoliation may lead to the contamination of the 2D material films by the ions in the chemical etchants. Moreover, the deformation of the 2D material in the transfer process due to its soft nature also leads to the nonuniformity of the transferred film, which is one of the main reasons for the presence of the wrinkles and the stacks in the transferred film. Thus, the large-scale fabrication of the high-quality 2D/3D tunnel diodes is limited. In this article, a comprehensive transfer technique that can mend up the shortages mentioned above with the aid of the water and the thermal release tape (TRT) is proposed. Based on the method we proposed, the MoS₂/Si tunnel diode is experimentally demonstrated and the transferred monolayer MoS₂ film with the relatively high crystal quality is confirmed by atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM), and Raman characterizations. Besides, the prominent negative differential resistance (NDR) effect is observed at room temperature, which verifies the relatively high quality of the MoS₂/Si heterojunction. The bilayer MoS₂/Si tunnel diode is also experimentally fabricated by repeating the transfer process we proposed, followed by the specific analysis of the electrical characteristics. This study shows the advantages of the transfer technique we proposed and indicates the great application foreground of the fabricated 2D/3D heterostructure for ultralow-power tunneling devices.     

快重离子辐照对MoS2热导率的影响研究

利用0.97 GeV的209Bi离子辐照二硫化钼（MoS₂）晶体,辐照注量范围为1×1010～1×1012 ions/cm2,结合原子力显微镜（AFM）观测和Raman光谱分析研究了快重离子辐照对MoS₂热导率的影响。实验结果显示,快重离子辐照在MoS₂中产生了潜径迹,较高激光功率下的Raman测试使样品局部温度升高,导致E_1/2g和A_1g峰随注量增加向低波数方向移动,且峰形展宽。引入了通过改变激光功率测量Raman光谱得到MoS₂热导率的计算方法,获得了不同辐照注量下MoS₂的热导率的定量分析结果,随注量增加,热导率不断降低,从未辐照样品的563 W/mK下降到1×1012 ions/cm2辐照时的132 W/mK。Molybdenum disulphide (MoS₂) was irradiated by 0.97 GeV 209Bi ions with the fluence of 1×1010 to 1×1012 ions/cm2. The irradiation effect on the thermal conductivity of MoS₂ was analyzed by atomic force microscope (AFM) and Raman spectroscopy. The experimental results show that hillock-like latent tracks are observed on irradiated MoS₂ by AFM. The measurement of MoS₂ by Raman spectrometer with high laser power results in the increase of local temperature of MoS₂, which cause the downshift of peaks position and broadening of E_1/2g and A_1g peak. Furthermore, according to Raman spectra measured at different laser power, thermal conductivity of MoS₂ before and after irradiation was calculated, which show that the thermal conductivity of MoS₂ decreases with increasing fluence, from 563 to 132 W/mK for pristine and 1×1012 ions/cm2 irradiated MoS₂, respectively.     

二硫化钼/石墨烯异质结的界面结合作用及其对带边电位影响的理论研究

采用基于色散修正的平面波超软赝势方法研究了二硫化钼/石墨烯异质结的界面结合作用及其对电荷分布和带边电位的影响.研究表明二硫化钼与石墨烯之间可以形成范德瓦耳斯力结合的稳定堆叠结构.通过能带结构计算,发现二硫化钼与石墨烯的耦合导致二硫化钼成为n型半导体,石墨烯转变成小带隙的p型体系.并通过电子密度差分图证实了界面内二硫化钼附近聚集负电荷,石墨烯附近聚集正电荷,界面内形成的内建电场可以抑制光生电子-空穴对的复合.石墨烯的引入可以调制二硫化钼的能带,使其导带底上移至-0.31 eV,提高了光生电子还原能力,有利于光催化还原反应.