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南科大物理系张立源团队在2D材料宽光谱光探测器领域取得新进展

近日,南方科技大学物理系副教授张立源团队与前沿与交叉科学研究院研究副教授龚佑品、电子与电气工程系副教授陈锐合作,共同在2D材料宽光谱光探测器领域取得新进展。在国际顶级学术期刊Advanced Materials (影响因子21.950)上发表题为“Ultrahigh-Sensitive Broadband Photodetectors Based on Dielectric Shielded MoTe2/Graphene/SnS2 p-g-n Junctions”的论文,并被选为当期的Frontispiece文章。张立源课题组博士研究生李阿蕾为第一作者,长期在课题组参与研究工作的2016级本科生陈千雪为第二作者,龚佑品、张立源和陈锐为共同通讯作者。

能够检测宽光谱的光电探测器是光谱学、遥感、成像和光通信中多样化光电应用的核心。目前,在生活中应用较多的是Si基和InGaAs光电探测器。但是,Si基光电探测器的探测光谱范围较窄(200−1100 nm);对于InGaAs光电探测器来说,它的原材料有毒且昂贵,且需在低温环境中(~4 K)工作的特性使得它的使用成本也较高。随着技术和市场的发展,对高灵敏、高速、宽带宽、低成本、可弯曲光电探测器的需求越来越大,因而传统半导体光电探测器越来越不能满足未来的技术需求。二维(2D)材料种类丰富,根据他们的带隙可以分别应用于从紫外到无线电波范围内的光电探测(图1,Nature Photonics 2014, 8, 899),具有小型化、便携式、柔性的特点,有望成为下一代光电子器件的巨大潜力。

然而,单一2D材料光电探测器存在或探测波段窄、或响应时间较长、或探测率低等缺点。为了更好的提高2D材料光电探测器的性能,研究者提出利用一种新型结构:2D 范德瓦尔斯(vdW) p−n异质结。这种光电探测器主要基于p−n结的光伏效应,其主要缺陷和面临的挑战是:反向偏压工作时,尽管内建电场抑制暗电流增大了比探测率(D*),但是由于没有内部增益导致光响应率比较小(一般在近红外波段只有0.01−1.0 A/W)。此外,大多数报道的vdW p−n结器件都是在窄带工作,主要在可见光谱中工作。因此,通过设计具有超出可见光谱的光活性2D层的vdW p−n结并在宽光谱范围内实现优越的综合性能光探测越来越受到研究者们的关注。

图1:各种2D材料光电探测器可应用的波段范围

为克服这一挑战,李阿蕾和陈千雪等人在龚佑品的直接指导下,经过一年多时间的大量的前期实验累积,设计出一种新颖的垂直异质结构的二维材料光电器件,即在MoTe2/SnS2 p−n结之间和外层分别引入石墨烯(graphene)夹层和h-BN介电屏蔽层,并形成一个全新的h-BN/MoTe2/graphene/SnS2/h-BN p−g−n结光电探测器(图1a),实现了在宽波段(405−1550 nm)范围内同时具有超高的光响应度和比探测率(图1b-e)。

图2:器件结构和光探测性能. (a)3D的器件结构图;(b)光响应度和外部量子效率;(c)光响应速度;(d)比探测率;(e)石墨烯夹层厚度对器件光响应度和响应速度的影响。

在这种独特的vdW p−g−n结中,互补带隙的MoTe2和SnS2、石墨烯夹层、结内形成的垂直内置电场的组合为增强的宽带光吸收、高效的激子分离和载流子转移提供了无可比拟的优势。研究发现,石墨烯夹层在增强探测率和拓宽光谱范围方面起到关键作用(图2e)。优化的器件(包含5−7层石墨烯夹层)在紫外−可见−近红外光谱中显示出超过2600 A/W的光响应度(图2b)、快的光响应速度(图2c)、高达1013 Jones的比探测率 (图2d)。特别是在1550 nm短波红外激发下,其比探测率也高达1.06×1011 Jones,可媲美商业的短波红外探测器(譬如非​​制冷的Ge-on-Si光电探测器)。

这些研究结果为宽带的超高性能光电探测器提供了切实可行的思路,且本研究成果在目前宽光谱光电探测器件方面以及未来的柔性的光电子与智能传感器件方面具有极大的应用潜力。

该研究得到了国家自然科学基金、广东省创新创业团队计划、深圳市科创委的学科布局,以及南科大和深圳市的启动配套经费等项目的大力支持。

美国堪萨斯大学物理与天文系杰出教授Judy Z. Wu也对该研究工作有重要贡献。

陈千雪、李阿蕾、龚佑品、张立源在光电实验室

科研心得:思想创新、不怕困难、坚持到底,必有收获

龚佑品分享了在此项科研工作中的感受:“科学研究的核心思维其实很简单:你找到或提出一个重要科学问题,然后想办法解决这个问题。但是,在解决问题的过程中,往往不是一帆风顺或一蹴而就的。这个时候,就需要我们不畏困难、敢于坚持,最终才会有所收获。拿这次的工作来说,我和学生一起首先提出了这个新的结构来解决2D材料p−n结的光响应度小和光探测范围窄的问题,但是在最初的几次尝试中都失败了,不是做出来的器件根本不能用,就是性能没有预想的好。这个时候我们不禁会怀疑自己:难道是我们的想法错了吗?后来我们通过重新查阅文献和专业书籍,确信我们的设计是合理可行的。于是我和学生都决定要坚持做下去,这个过程中,我们不断提高实验技巧和改善器件制造的工艺。经过几十个样品的尝试,最终,我们在一个样品中观察到了我们预想的结果。这就证实了我们前期的想法是对的,于是信心大增,后面的实验就比较顺利了,最后也获得了理想的实验结果。”

李阿蕾也分享了她的切身感受:“我是幸运的,从选题开始,我的指导老师张立源和龚佑品就给予了非常详细和具体的指导。方案实施中,起初的实验结果并不理想,有时会感到很沮丧,但龚老师确信我们的方案是可行的并且不断鼓励我,使我保持信心并坚持下去。在团队其他同学的热心帮助下,我的实验技术不断提高,最终我们得到了预期的结果。从选题到文章发表,这个过程是煎熬并快乐着,最后收获的喜悦也是难以形容的美好。”

 

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805656

 

专业术语小贴士:

光探测器:它是通过电过程探测光信号的半导体器件,包括三个基本过程:1、入射光产生激子(光激发的电子-空穴对);2、通过某种机制分离激子形成载流子的输运和倍增;3、载流子形成端电流,输出信号。

光响应度Rph:光电探测器的响应度是光电流Iph除以入射光功率Pin:Rph = Iph / Pin。这是表征光探测器性能的一个重要指标。

比探测率D*:用于表征探测器性能的另一个典型的品质因子。比探测率D*=(A∙B)0.5/NEP,其中A是光敏区域的面积,B是探测器的频率带宽,NEP是噪声等效功率(相当于探测器输出信号等于噪声信号时所需的入射光功率)。D*以cm Hz1/2 W−1测量,该单位以Jones命名,1 cm Hz1/2 W−1 = 1 Jones。可见,比探测率由探测灵敏度、光谱响应和噪声共同决定。

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Nature子刊:中国科大研究组预言高密度铁电新冰相

近日,中国科学技术大学客座教授曾晓成研究组与杨金龙/袁岚峰教授研究组以及大连理工大学赵纪军教授研究组合作,理论预测了一个新的高密度铁电冰相,研究成果发表在4月26日的《自然-通讯》上。文章标题为“Room temperature electrofreezing of water yields a missing dense ice phase in the phase diagram”(《室温电致水结冰:相图中“遗漏”的一个高密度冰相》)。该论文的第一作者是中科大化学物理系博士后朱卫多。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09950-z

因为水分子之间存在氢键,而氢键的强度和位形可以在很大范围内变动,所以水呈现出极其丰富的相图。目前,实验室中已经发现的不同温度和压强条件下的冰相多达18种。由于水分子具有偶极矩,多个水分子聚集时偶极矩可以叠加或抵消,因此有可能存在铁电性的冰。人们已经证实冰XI相是具有较大偶极矩的铁电相,而且认为它存在于天王星和海王星表面。然而,如果掺杂催化剂,普通结构的冰转变成铁电冰大约需要一万年,因此铁电冰相在自然界中是极为罕见的。

这项研究通过分子动力学和第一性原理的计算模拟发现:室温时,在高压和高电场强度的条件下,液态水可以自发形成一种高密度(1.27 g/cm3)的新型铁电冰晶体—“冰χ相”(图1)。自由能计算表明,在水相图上的一个高压低温区,冰χ相是最稳定的结构。它位于冰II相和冰VI相之间,与冰V相接邻(图2)。在这个意义上,冰χ是一个“被遗漏”的冰相。对此的一个可能的解释是:冰χ相的成核/生长需要非常高强度的电场。

 

    我们可以回顾一下人类在实验室中发现十六种冰相的百年简史:冰II和冰III相是1900年在德国发现的;冰IV-VII相是1912-1937年间在美国发现的;冰VIII相是1966-1968年间在加拿大发现的;冰X相是1984年在德国发现的;冰XI相是1984年在日本发现的;冰IX相是1993年在英国发现的;冰XII-XV相是1998-2009年间在英国发现的;冰XVI相是2014年在德国发现的;最近的冰XVII相是2016年在意大利发现的。到目前为止,尚没有中国发现的冰相。

铁电冰χ相的预言不仅丰富了水在高压区域的相图,而且为寻找稀有的铁电冰结构提供了理论指导。如果未来在实验室中确实观察到这种铁电性冰χ相,不仅将增加人们对水科学的浓厚兴趣,而且冰χ相将有可能成为冰相XVIII,从而填补中国发现冰相历史中的空白。该项工作得到中国科学院、国家自然科学基金委和国家重点研究开发计划项目的资助。

文章来源:中国科学技术大学、微信公众号mse_material(材料科学与工程)

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中国科学家开拓的新领域:铁基超导+拓扑物理→自赋性拓扑超导体 | NSR综述

铁基高温超导和拓扑物理是当前凝聚态物理的两个重要前沿研究领域。在过去长期的研究中,这两个领域各自独立发展,互相之间很少有研究交集。最近几年,经过多个研究组的共同努力,结合理论和实验发现:某些铁基高温超导体可以是由内禀超导近邻效应产生的自赋性拓扑超导体(Connate Topological Superconductors)。这一发现不仅开启了铁基超导研究的新领域,也确立了铁基超导应用于未来拓扑量子计算的物理基础,使在相对高温下实现马约拉纳费米子成为可能。
  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心胡江平研究员与中国科学院强磁场科学中心郝宁研究员共同撰写综述文章“铁基超导中的拓扑量子态:从理论设想到材料实现”(Topological quantum states of matter in iron-based superconductors: From concepts to material realization),系统回顾和总结了铁基超导体中存在的拓扑物理。
  作者系统阐述了铁基超导中自赋性拓扑超导这一概念的物理内涵(如图所示):铁基超导的拓扑物理来自其费米面附近多轨道特性,某些具有非平庸拓扑的能带在内禀超导近邻效应下成为拓扑超导。这个概念不同于过去构造超导和拓扑绝缘体异质节实现拓扑超导的传统框架,为实现拓扑超导物理提供了新方向。作者进一步提出了一系列的理论设计方案与材料候选建议,回顾和展望了几种具体铁基超导体系中关于自赋性拓扑超导态最新实验进展以及存在的问题,同时讨论了铁基拓扑研究反过来对解决铁基超导本身存在的重大悬而未决的基本问题可能产生的新思路。

 

  非常值得一提的是,这一研究方向完全由来自国内的中科院物理研究所、复旦大学、北京大学、中国科技大学和清华大学等研究组发起并推进探索,其研究成果已经受到国际同行的高度评价和关注,目前来自国外同行的相关研究也已跟进中。

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