第ⅥA主族元素掺杂Mg-MoS2异质结势垒高度调控

在纳米尺寸的薄膜场效应晶体管中,源极、漏极(金属材料)与有源层(半导体材料)之间的肖特基势垒是制约器件发展的关键因素之一.本文采用密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,通过第Ⅵ主族元素对二硫化钼(MoS₂)的硫原子进行替位掺杂,电子结构分析表明,氧的替位掺杂可以显著降低MoS₂的带隙值.选择功函数值较低的金属Mg,构建氧掺杂Mg-MoS₂异质结,研究发现,界面位置的氧掺杂可以使该异质结由肖特基接触变为欧姆接触.分析结果表明,欧姆接触的形成原因主要来自3个方面:(1)氧的掺杂增大了MoS₂的电子亲合能;(2)未掺杂的Mg-MoS₂异质结禁带中存在金属诱导间隙态,使费米能级被钉扎在禁带中靠近导带底的位置,界面氧掺杂降低了金属诱导间隙态在费米能级附近的强度,使费米能级的钉扎效应减弱而进入导带;(3)界面氧掺杂时,界面电荷转移减少,电偶极矩对Mg-MoS₂异质结相对能级改变的影响减小.本文的研究结果为金属-半导体界面的肖特基势垒高度调控提供了一定的理论指导.     

Ga-O双功能位点促进高选择性光催化甲烷直接转化制甲醇

光催化甲烷(CH₄)直接转化制甲醇(CH₃OH)被誉为催化界的“圣杯反应”.然而,由于反应过程中目标产物容易发生过氧化反应,实现CH₃OH的定向转化仍然面临巨大挑战.本文通过溶剂热法和高温煅烧法成功地制备了不同晶相的Ga₂O₃光催化材料(α-Ga₂O₃和β-Ga₂O₃),并对其光催化CH₄直接转化制CH₃OH的性能进行评价.测试结果显示在室温常压,且不额外添加其他氧化剂的情况下,α-Ga₂O₃和β-Ga₂O₃表现出优异的光催化性能.相较于β-Ga₂O₃,α-Ga₂O₃的光催化性能更优:反应2 h后,其CH₄转化率达4.5%,CH₃O...     

三元合金异质结InxGa1-xAs/InxAl1-xAs的价带带阶ΔEv值研究

三元合金异质结是异质结器件的重要材料,它广泛应用于微波和光电器件中。如组分x=0.3的合金异质结可用于研制高电子迁移率晶体管(HEMTs)、绝缘栅场效应晶体管(HIGFETs)和谐振隧道二极管(RTDs);组分x=0.53的三元合金异质结广泛应用于光电子的高速光电器件中。在决定量子阱、超晶格电子态的因素中,半导体异质结界面两侧价带带阶△E_v值(即valence-band offsets)是重要的物     

ZnO基异质结紫外光发射器件研究进展

宽禁带半导体ZnO具有高达60 meV的激子束缚能,是一种极具潜力的短波长发光材料.在其p型掺杂存在巨大挑战的现状下,发展ZnO基异质结光发射器件不失为一种理想的选择.本文围绕p-n结型和MIS结型(金属-绝缘体-半导体)两类异质结构,介绍了ZnO紫外发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的研究进展.针对ZnO异质结LED/LD存在的问题(如:发光效率低、稳定性差),重点介绍了通过引入ZnO单晶纳米线和金属局域表面等离激元,以及采用表面钝化等方法,改善器件性能方面的研究工作.     

宽禁带半导体掺杂机制研究进展

随着电子信息技术进入后摩尔时代,人们期望探寻一些新材料、新技术以推进半导体科学技术的发展.作为新一代战略电子材料,宽禁带半导体的技术应用近年来取得了飞速发展.宽禁带半导体的掺杂与缺陷调控是实现其重要应用价值的关键科学基础.本文主要介绍了我们和合作者近期围绕碳化物、氧化物、氮化物宽禁带半导体中掺杂与缺陷机理及性能调控展开的研究工作,具体包括:(1)探究4H-SiC中本征缺陷的电学和动力学性质,解释了实验上4H-SiC的有效氢钝化现象的内在物理机制;(2)研究In₂O₃中过渡金属元素的掺杂物理性质,提出了过渡金属掺杂的设计原则,并预测过渡金属Zr、Hf和Ta在In₂O₃中具有优异的n型特性;(3)采用轻合金化法调控Ga₂O₃材料的价带顶位置,并通过选取合适的受主杂质(如Cu_Ga),有望使(Bi_xGa_1–x)₂O₃合金成为高效的p型掺杂宽禁带半导体(4)...     

有机半导体异质结电荷产生层及其在叠层有机发光二极管中的应用

叠层有机发光二极管因其具有更高的亮度、效率以及稳定性, 其研究备受关注.本文综述了叠层有机发光二极管的最新进展; 总结了作者研究小组基于有机半导体异质结的概念, 设计了由一种p 型有机半导体和一种n 型有机半导体层层组成的双层有机半导体异质结电荷产生层, 并用它们作为连接单元制备了叠层有机发光二极管, 器件的电压得到了降低, 功率效率得到了提高. 通过对电荷产生层的工作机制的深入剖析, 揭示了降低电压、提高功率效率的内在物理原因, 为进一步设计高性能有机电致发光器件提供了新的思路; 最后对叠层有机发光二极管的未来发展方向进行了展望.     

后摩尔时代晶体管：新兴材料与尺寸极限

在后摩尔时代，大规模半导体集成电路对功耗和集成密度的要求使得晶体管器件的开发需要在“材料、制程、结构”三个维度同步推进。文章详细梳理了近年来涌现的新兴低维半导体材料及异质结构，包括碳纳米管、过渡族金属硫属化合物、黑磷、碲烯和一维/二维范德华异质结等，并对其电学物理特性进行了深入的讨论，同时总结了这些材料在14 nm工艺节点以下超短沟道晶体管和新结构晶体管器件方面的最新进展，最后从材料角度对半导体逻辑器件的进一步发展指出方向。     

用平均键能确定异质结价带偏移的准确性研究

我们建议的以平均键能为参考能级的异质结价带偏移△E_v值的理论计算方法已在一系列晶格匹配的异质结的△E_v值的理论计算中获得比一般线性理论方法更准确的结果,几乎达到计算量极大的界面自洽计算方法(也称为非线性理论方法)的准确性.本文对于由AlAs和GaAs构成的AlAs/GaAs异质结的(110)、(111)以及(100)三种不同晶面的(AlAs)_3(GSAS)_3超原胞(简称SL_3),分别采用E_m为参考能级的方法和界面自洽方法进行了理论计算和比较,全面考察SL_3中的平均键能E_m对齐程度与界面结构、界面电荷转移及计算方案的关系,揭示以平均键能为参考能级的△E_v理论计算方法可达到界面自洽方法的准确性的主要原因.     

珠江三角洲大气夜间非均相化学反应对二次气溶胶和臭氧的影响

近年来,我国在PM_2.5治理方面取得了显著成效,而O₃污染问题日益突出.观测结果表明,珠江三角洲光化学反应活跃季PM_2.5与O₃呈现明显的正相关,但对两者之间耦合关系认识不清使得其协同控制具有很大难度.迄今为止,大部分研究主要关注日间光化学机制,而对夜间大气化学过程的认识明显不足.最新研究表明,夜间五氧化二氮（N₂O₅）非均相反应是PM_2.5和O₃生成的重要潜在机制,不仅对二次硝酸盐生成具有重要贡献,而且其非均相反应产物硝酰氯（ClNO₂）在次日清晨的光解对促进大气氧化性也有重要影响.本研究于2018年10月在臭氧污染较严重季节对深圳城市大气中N₂O₅和ClNO₂进行了在线测量,基于气相和颗粒相污染物变化对N₂O₅的非均相反应进行量化计算与活性评估.观测结果表明,夜间N_2<...     

TiO2@V2O5空心纳米球催化剂增强MgH2体系储氢性能

氢化镁(MgH₂)是一种具有高储氢容量(7.6 wt%)的固态储氢材料,但其热力学稳定性高,动力学缓慢,限制了广泛应用.双金属氧化物催化剂对MgH₂储氢性能的积极影响已被许多研究者认可.本文采用简便的方法合成了具有纳米空心球结构的TiO₂@V₂O₅双金属氧化物催化剂.添加12 wt%TiO₂@V₂O₅后,MgH₂的起始解吸温度显著降低至204℃.在100℃条件下,MgH₂在15 min内吸附4.21 wt%的H₂,在300℃条件下释放6.18 wt%的H₂,MgH₂的活化能从142.78 kJ/mol降低到86.47 kJ/mol.差示扫描量热分析(differential scanning calorimeter,DSC)结果表明,MgH₂的氢解吸活化能从197 kJ/mol降低到...     

二维过渡金属硫族化合物纳米异质结气体传感器研究进展

二维过渡金属硫族化合物(2D TMDs)在气体传感方向的应用中具有显著的"先天"优势,表现出如灵敏度高、响应速度快、能耗低以及能在室温下工作等诸多优点.相对单一的2D TMDs而言,基于2D TMDs纳米异质结的气体传感器展现出更加优越的气体传感性能.本文将系统总结2D TMDs纳米异质结气体传感器的研究进展,尤其是2D TMDs与金属氧化物、金属硫化物、碳基纳米材料以及量子点之间形成的纳米异质结设计、构效关系以及传感机理等关键科学问题.传感材料和传感机制上的创新对提升传感性能并拓展传感功能具有重要的科学意义.通过对纳米异质结气敏机理的深入探究,有望实现纳米异质结结构的人为设计和可控制备,提高室温下对目标气体的高灵敏选择性识别和检测.在纳米异质结的结构设计上,以TMDs材料为导电主体,在其表面生长各种纳米结构,通过对纳米异质结表面酸碱性、功函数、气体分子极性以及纳米异质结与气体分子之间的氧化还原反应性质进行调控,来构筑基于TMDs的纳米异质结.此外,控制负载在二维TMDs上纳米颗粒尺寸小于两倍电子耗尽层厚度,充分发挥纳米颗粒量子限域效应,以纳米颗粒充当传感的"天线分子"或"探针分子",实现对目标气体分子的高灵敏选择性识别和检测.     

自组装低维无机/有机异质结纳米材料

一维有机-无机异质结纳米材料因自身具有突出的光学和电学的性能而备受关注.在这种异质结材料内部,有机和无机的组分相互作用形成多个功能界面.这种新材料不仅保留了原来单组分的本征特性,还会通过界面强的作用产生新的特性,真正实现"1+12"的协同性能.认识和解释分子自组装的控调规律;通过分子结构的裁剪和作用力的调控实现小尺度低维分子聚集态异质结构的大面积、高有序组装;理解分子聚集态尺度下分子间弱相互作用产生的协同驱动机制和通过杂化/异质自组装优化原有功能,获得新结构的分子低维聚集态结构并在分子自组装体水平上研究结构变化导向的特殊性质,对基础科学研究的发展具有重大的科学意义.在本文中,我们主要讨论了制备异质结纳米材料的方法以及这些材料在电子和光学领域的应用.     

基于0.5μm标准CMOS工艺的新型Λ负阻器件

介绍了一种新型的I-V特性为Λ型的负阻器件(negative resistance device,NRT),该器件使用上华0.5μm标准互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor transistor,CMOS)工艺制造.为节省器件数目,此类负阻器件并不调用上华工艺库中现有的标准元件模型,而是将一个金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)和一个双极晶体管(bipolar junction transistor,BJT)制作在相同的n阱中,利用p型基区层作为MOSFET的衬底,从而将两个器件合二为一.NRT拥有较低的谷值电流-6.8217nA和较高的电流峰谷比(peak-to-valley current ratio,PVCR)为3591.器件的峰值电流较小,为-24.4986μA,意味着较低的功耗.该负阻器件的平均负阻阻值为32kΩ.不同于近年来的大多数负阻器件,本器件制作于硅材料衬底上而非化合物材料衬底.因而能够与主流CMOS工艺兼容.新型NRT功...     

氮化物半导体电子器件新进展

氮化物宽禁带半导体是实现大功率、高频率、高电压、高温和耐辐射电子器件的一类理想材料.基于氮化镓(GaN)异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)是氮化物电子器件的主流结构,该结构利用高电导率二维电子气实现强大的电流驱动,同时保持了氮化物材料的高耐压能力.近年来,GaN HEMT器件主要在微波功率和电力电子2个领域得到了快速发展.本文评述了GaN微波毫米波功率器件和高效电力电子器件的若干研究进展,并提出了氮化物电子器件仍存在的问题及解决方向.     

金属离子替换的有机-无机钙钛矿太阳能电池及其迟滞现象

注入金属离子替换有机-无机钙钛矿中参与成键的Pb~(2+)可以有效调控其结晶动力学、薄膜形貌和光电特性,因此,通过优化Pb~(2+)替换比例提高钙钛矿太阳能电池性能是当前的研究热点之一.但是, Pb~(2+)替换对器件异常迟滞现象的影响却缺乏深入的研究.本文采用Cd~(2+)替换的MAPbI_3为模型体系,研究了不同Cd~(2+)浓度下MAPbI_3材料性质及其平面异质结光伏器件(结构为ITO/NiO_x/Cd-MAPbI_3/PCBM/Ag)性能的变化趋势.研究结果表明,优化比例(0.5%)的Cd~(2+)可以有效增强材料结晶性、改善薄膜形貌,降低非辐射复合,提高光生载流子寿命,从而大幅提高器件性能.而Cd~(2+)替换比例过高(2.5%)时,钙钛矿薄膜中不仅会出现相分离阻碍电荷传输,而且其非辐射复合加剧,光生载流子寿命降低,最终导致器件性能下降.与此同时,过量的Cd~(2+)注入还会引起严重的迟滞现象,利用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)证实这一现象与钙钛矿薄膜中显著的离子迁移有关.     

开路状态下平面异质结有机太阳能电池的数值模型

运用数值方法, 系统研究了开路状态下平面异质结有机太阳能电池受体层的最低未占据分子轨道(LUMO)能级和阴极Fermi 能级之间的势垒、给体层厚度和受体层厚度对器件内部载流子浓度、电场和电势分布的影响, 得到了载流子浓度、电场和电势分布随受体层的LUMO 能级和阴极Fermi 能级之间的势垒、给体层厚度和受体层厚度变化的定量关系, 这为以后的平面异质结有机太阳能电池开路状态下的实验研究提供了理论基础.     

自组装低维无机/有机异质结纳米材料简

一维有机-无机异质结纳米材料因自身具有突出的光学和电学的性能而备受关注. 在这种异质结材料内部,有机和无机的组分相互作用形成多个功能界面. 这种新材料不仅保留了原来单组分的本征特性,还会通过界面强的作用产生新的特性,真正实现“1+1>2”的协同性能. 认识和解释分子自组装的控调规律;通过分子结构的裁剪和作用力的调控实现小尺度低维分子聚集态异质结构的大面积、高有序组装;理解分子聚集态尺度下分子间弱相互作用产生的协同驱动机制和通过杂化/异质自组装优化原有功能,获得新结构的分子低维聚集态结构并在分子自组装体水平上研究结构变化导向的特殊性质,对基础科学研究的发展具有重大的科学意义. 在本文中,我们主要讨论了制备异质结纳米材料的方法以及这些材料在电子和光学领域的应用.     

ZrO2掺杂YBa2Cu3O7-δ超导薄膜的磁通钉扎

YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)超导薄膜的临界电流密度J_c会因为外磁场的增大而衰减.为了抑制这一现象,有必要引入人工钉扎中心.预制纳米晶能够实现对异质相大小和形状的预先调控,是一种非常高效的人工钉扎手段,能有效解决传统元素掺杂引起的尺寸和团聚问题.本文利用水热法可控地制备出两种尺寸小于10 nm的点状和棒状ZrO₂纳米晶,并采用葡萄糖酸对其表面进行修饰,实现它们在YBCO前驱液中的均匀单分散.单分散ZrO₂纳米晶的掺杂明显地提高了YBCO薄膜的低温磁通钉扎效果和在场临界载流性能,但是纳米晶掺杂量过多,又会因为生成BaZrO₃(BZO)而消耗过多Ba源,致使YBCO薄膜超导性能下降.另外,掺杂5%的点状ZrO₂纳米晶比棒状纳米晶对超导性能提升更优.     

新型多铁层合异质结及其在可调微波器件中的应用

电压调控磁序的研究,对于实现超快响应、微型化和低功耗的电子器件具有重要的理论和实践意义.同时具有铁电和铁磁特性的多铁异质结可通过基于应变诱导的磁电耦合效应实现由电压调控磁特性,从而引起了学术界的广泛关注.在多铁异质结中,利用磁弹作用,电场引起的机械应变可在铁磁相中产生等效磁场,并改变其铁磁共振频率.因此,由其制备的微波器件必然满足微型化、超快响应和低功耗的要求,并可实现新的功能性.本文将从不同的方面介绍最近关于多铁体及其在微波器件中的应用等方面的工作,主要包括:具有强磁电耦合效应的新型多铁层合异质结的构建,基于多铁异质结的可调微波信号处理器的开发,以及在多铁异质结中通过铁电畴弹性反转来非易失性调控微波性质的研究.这类可调节的多铁异质结及其器件的研发为实现下一代可调磁性微波元件、超低功耗电子器件和自旋电子元器件提供了广阔的前景.     

InGaAs/InAlAs/InP异质结结构的X射线双晶衍射研究

Al_xGa_(1-x)As/GaAs材料在高电子迁移率晶体管(HEMT)的应用上已经显示出很好的高频特性。然而,这一系统小导带不连续性(当x=0.3时,△E_c=0.24eV)及较低的二维载流子浓度及饱和速度等因素限制了截止频率的进一步提高和器件应用。而与InP匹配的In_(0.52)Al_(0.48)As/In_(0.53)Ga_(0.47)As异质结体系,消除了AlGaAs层,避免了低温持续光电导。且沟道