石墨烯/硅光电探测器

光电探测是石墨烯器件未来重要的发展方向之一。在众多类型的石墨烯/半导体异质结光电探测器件中,石墨烯/硅光电探测器由于在可见光范围内拥有极高的光电转换效率,并且可方便地在宏观条件下进行制备和组装,因此拥有良好的应用前景。首先介绍了石墨烯/硅光电探测器的研究背景,其次分析了其工作原理和机制,并结合几种典型的石墨烯/硅光电探测器对其性能进行了探讨,最后对石墨烯/硅光电探测器的发展做了展望。     

多层复合透明导电薄膜研究进展

透明导电薄膜(TCF)兼具良好的导电性和透光性,已作为电极被广泛应用于光电器件领域.目前普遍使用的透明电极主要是铟锡氧化物(ITO)和掺铝氧化锌等透明导电氧化物(TCO)薄膜,但由于ITO的生产需要稀缺原材料铟,而其他TCO薄膜的导电性和可见光透明性尚需提高,并且由于氧化物材料固有的脆性,TCO薄膜的柔性较差,不能完全满足当前柔性电子器件的发展需求.因而,对于具有优异性能的无铟、柔性TCF的研究近年来受到研究者的广泛关注.基于介质/金属/介质结构的多层复合TCF同时具有高的电导率、透光性以及良好的机械柔性,可以满足目前柔性电子器件的应用需求,而且其还具有功函数可通过选择介质层材料调节、可利用连续的卷对卷技术室温下在廉价塑料衬底上沉积等独特优势,因而更具实用价值.本文简要综述了近几年基于介质/金属/介质结构的多层复合TCF的研究工作,首先分析了其透光率和面电阻对各层材料种类及厚度的依赖关系,然后介绍了多层复合TCF的结构类型,接着讨论了改善其综合光电性能的技术,最后分析了其在光电器件领域应用时应考虑的其他重要性质.     

基于碳纳米材料的柔性透明导电薄膜研究进展

随着电子器件的便携化发展,柔性电子器件越来越引起人们的关注.透明导电薄膜同时具有良好的导电性和光学透过性,已作为电极被广泛应用于光电功能器件领域.然而,目前普遍使用的透明导电材料氧化铟锡(ITO)由于含有储量有限的铟元素而存在成本高的问题,并且由于氧化物本身的脆性,其所制薄膜的柔性也不理想,并不能完全满足目前柔性电子器件的发展要求.因而,对于可替代ITO的其他廉价、可大量制备、具有优异性能的柔性透明导电薄膜的研究近年来受到研究者的广泛关注.碳纳米材料因同时具备高的电子传输率、透光率以及良好的机械柔性可以满足目前柔性电子器件的应用需求,此外,碳纳米材料更具备来源广泛、制备方式灵活多样等特有优势,可以降低材料和生产成本,因而更具有实用价值.本文简要综述了近几年基于碳纳米材料(以碳纳米管和石墨烯为主)的柔性透明导电膜的研究工作,结合材料制备和性能调控以及薄膜制备(特别是连续化制备)的方法,阐述了该领域最近的研究成果及应用,最后简要讨论了基于碳纳米材料的柔性透明导电薄膜目前存在的问题及可能的发展方向.     

锂离子在石墨烯材料中的嵌入脱出机制

采用还原氧化石墨法制备了石墨烯材料, 运用X 射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、充放电、循环伏安和电化学阻抗谱(EIS)等对其结构、表面形貌和电化学嵌锂性能进行了表征. XRD, SEM 和AFM 研究结果表明, 所制备的材料主要为层数少于10 层的石墨烯材料; 充放电结果表明, 石墨烯材料电极具有较高的可逆容量和较好的循环性能, 但也存在较大的首次不可逆容量, 不可逆容量主要归因于首次充放电过程中石墨烯材料表面固体电解质相界面膜(SEI 膜)的形成和充放电循环过程中石墨烯材料的自发堆叠. EIS 结果表明, 石墨烯材料电极表面SEI 膜主要在0.95~0.7 V 之间形成, 测得锂离子在石墨烯材料电极中电化学嵌入反应的对称因子α 为0.446.     

具有大比表面积的TiO_2超微粒半导体电极研究

二氧化钛(TiO_2)是一种重要的半导体电极材料,它具有优良的化学稳定性,能够抵抗介质及光电化学腐蚀.但是,TiO_2半导体因其禁带宽度较大(3.2eV),仅能吸收太阳光的紫外部分,因而光电转换效率极低.为了提高TiO_2半导体电极对太阳能的利用率,人们在电极表面修饰染料等光敏剂,以增加电极对可见光的吸收.然而,在一个平滑的电极表面,单层染料分子仅能吸收不到1%的单色光,这就限制了电极的光电转换效率;采用多层染料能吸收更多的入射光,但同时却恶化了电极的光电特性.为了克服这一困难,瑞士的Gratzel等人采用由TiO_2超微粒组成的电极来吸附染料,取得了较好的效果.     

面向微电子应用的二维过渡金属硫族化合物制备进展

二维原子晶体材料所独有的结构特性带来了诸多优异的性质.与石墨烯相比,二维过渡金属硫族化合物(TMDs)拥有不同大小且可调控的带隙,在微电子和光电器件领域有着广阔的应用前景.本文对二维TMDs材料"自上而下"和"自下而上"的制备方法进行了总结,对比了机械剥离、液相剥离和化学气相沉积等常见制备技术,并归纳了各自的优缺点.同时基于未来晶圆级二维TMDs器件,重点介绍了化学气相沉积法及其面向应用需要解决的问题.最后总结了二维TMDs材料在微电子器件应用中的研究进展.     

三维垂直定向石墨烯的制备及在超级电容器中的应用

电极的结构设计是影响其反应动力学与离子传质能力,进而影响电化学储能系统性能的重要因素之一.为了追求较好的电极动力学以及传质速率,三维有序石墨烯基电极已吸引越来越多的研究兴趣.与其他类型的三维石墨烯结构不同,通过定向冷冻法、等离子体增强化学气相沉积法、KOH辅助水热法等制备的三维垂直定向石墨烯(3DVAG)具有垂直开放通道以及低孔隙弯曲度,可以有效增强离子的输运和电子的传导,提高活性物质的负载,从而实现电极材料的高能量密度及倍率性能.本文对三维垂直定向石墨烯的制备方法及其在超级电容器中的应用进行了综述,并对其未来的发展前景进行了展望.     

国家自然科学基金视角下我国光电器件领域发展的分析和展望

<正>光电器件是利用光与载流子之间的相互作用而产生特定效应或功能的器件,主要包括激光器、发光二极管(light-emitting diode, LED)、光电探测器、太阳能电池等.作为半导体光电子产业一个重要的分支,光电器件在当今社会具有极其重要的地位,在光通信、探测、遥感、成像、军事、航天等领域中得到广泛应用.光电器件是信息获取、传输、处理、显示四大系统的主要载体和核心元器件.     

一种新型丝状光阳极集成的光电致变色器件

提出了一种新型丝状光阳极集成的光电致变色器件, 研究了器件在着色态和褪色态的透过光谱. 结果表明, 器件在褪色态时平均透过率是68.0% (400~1100 nm), 在着色态时平均透过率是26.1% (400~1100 nm), 器件在736 nm处最大光谱调控范围在81.9%~30.3%之间变化. 与传统结构的光电致变色器件相比, 新型结构的光电致变色器的光谱调控范围进一步显著拓宽, 解决了传统结构的光电致变色器件在褪色态时透过率低的缺点.     

电子束蒸镀透明导电薄膜

一、引言 In_2O_3-SnO_2透明导电薄膜,具有高透明导电性能,因此被用作电光显示、电光快门的透明电极以及增透膜和红外反射膜等。人们用金属、金属氧化物等制备材料,提出各种制备方法,得可见光透光率大于90％,电阻率10~(-4)(?)·cm数量级的透明电极。目前,欲得透光率高     

有机发光二极管(OLED)顶发射器件的透明电极

有机发光二极管(OLED)已经成功应用于手机显示屏(小面积)及电视显示屏(大面积).对于小面积显示屏来说,由于显示面积的限制,大多采用顶发射结构.顶发射OLED(TEOLED)由于其更大的开口率,相较传统底发射器件而言,可在相同电流密度下获得更高的发光功率,但是顶发射器件中最关键的就是透明电极的制备.概括起来,根据制作方法和材料来区分,TEOLED透明电极主要分为以下几类,即(1)透明导电氧化物电极;(2)超薄复合金属电极;(3)电介质金属电介质(DMD)复合电极;(4)纳米材料电极等.一般氧化物在可见光范围光透过率很好,但是热蒸发温度很高,需要用溅射的方法来制作,从而对有机层造成损伤;复合金属电极可以用热蒸镀方式制作,方法简单易行,目前被大部分商用产品采用,但是透明度较低;纳米材料的透过率很高,且可以制成柔性电极,但是由于需要溶液加工处理,较易破坏有机层.DMD复合电极既可以具有高透光率,而且可以采用热蒸镀方法成膜,有望成为未来OLED顶发射透明电极的首选.本文对几种透明电极的发展现状和优缺点进行了综述,提出了透明电极今后可能的发展方向.     

石墨烯在柔性锂离子电池中的应用及前景

随着具有变形功能的移动电子设备的出现和发展,为其供电的可变形、柔性锂离子电池近年来受到广泛关注.柔性锂离子电池一般指具有可逆弹性变形能力,同时可正常工作的锂离子电池.按照变形难易程度,大部分研究中的柔性锂离子电池,均指可弯折柔性锂离子电池.本文总结了石墨烯在可弯折柔性锂离子电池领域的进展情况.石墨烯具有很高的电子电导率,可将石墨烯附着于高分子、纸、纺织布等柔性基底上,利用基底提供柔性支撑、力学性能,石墨烯提供导电网络,形成石墨烯/柔性基体复合结构.利用石墨烯的二维柔性结构及表面官能团,与其他材料复合,能够制备出一体化石墨烯复合柔性电池电极.石墨烯柔性复合材料作为电极时,能够提高电池的整体能量密度,因此具有更广阔的发展前景.本文同时介绍了柔性锂离子电池的力学特性和电化学性能表征方法,并对柔性锂离子电池的未来发展方向进行了预测.柔性锂离子电池发展趋势是提高其变形能力,并赋予柔性锂离子电池一定的可拉伸性能,以使其适应各种复杂应用;新型柔性锂离子电池也将具有自修复和快速充电能力;未来同时将研究喷涂或打印等新型柔性电极的制备和器件优化设计.虽然仍然存在尚待解决的问题,石墨烯柔性锂离子电池经过适当的电化学性能和力学性能改进,将在移动电子领域得到广泛应用.     

新型半透明陶瓷

透明陶瓷,如Al_2O_3,MgO,Y_2O_3等,由于其良好的力学、热学及抗腐蚀性,在光电领域有广泛的用途.近年来,一些半透明陶瓷,如莫来石(Mullite)、尖晶石,引起人们的关注,主要是因为它们在中红外光谱区有较高的透过率,可被用作高温窗口材料.KZr_2P_3O_(12)(KZP)陶瓷是一种低膨胀材料,本文主要研究其光学性能.     

氮化镓/硅纳米孔柱阵列紫外光电探测性能

紫外光电探测器的研究与开发在工农业生产、环境监测与保护以及国防工业等领域均具有重要的现实意义.本文以硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为衬底,采用化学气相沉积(CVD)法并通过改变GaN沉积时间,制备了3种GaN/Si-NPA纳米异质结构阵列,并对其表面形貌、化学组成和光致发光特性进行了表征.在此基础上,通过上、下电极制作,制备了结构为ITO/GaN/Si-NPA/sc-Si/Ag的光电探测器原型器件,并对其光电探测性能进行了测量.结果表明,在不施加偏压的情况下,采用优化条件制备的ITO/GaN/Si-NPA/sc-Si/Ag器件能够实现对紫外光的有效探测.器件对340nm单色紫外光的响应度达到~0.15mA/W,光响应和恢复时间分别为~0.12和~0.24s.实验结果对研制新型硅基GaN紫外光电探测器具有很好的借鉴意义.     

用于锂离子电池的石墨烯导电剂:缘起、现状及展望

石墨烯具有很高的电导率及柔性、二维、超薄的结构特性,是兼具"至薄至柔至密"特征、极具潜力的锂离子电池导电剂.使用在锂离子电池中,通过与活性物质"面-点"接触,"至薄至柔"的石墨烯具有非常低的导电阈值——使用量较少时就可以有效提高电极的电子电导率,大幅降低作为非活性物质的导电剂使用量,实现电池活性物质的"至密构建",有效提高电池的体积能量密度.然而,石墨烯的二维平面结构又会对电极内部锂离子的传输产生"位阻效应",影响高倍率条件下锂离子电池性能的发挥.因此,在使用石墨烯导电剂时,需要结合最终锂离子电池设计需求(能量或功率性能优先),综合考虑其对电子/离子传输过程的影响,提出石墨烯导电剂的设计方案.本文从石墨烯及其用作导电剂的特点、影响石墨烯导电剂使用的关键因素等方面出发,详细评述了石墨烯导电剂的应用缘起和研究现状,并对石墨烯的未来应用趋势和产业化前景进行了展望.     

石墨烯霍尔元件

回顾了石墨烯霍尔元件的现状,并展望了其应用前景.石墨烯霍尔元件能够充分发挥石墨烯材料迁移率高和单原子薄层等优势,规避其没有带隙或者小带隙的缺陷,其主要的性能包括灵敏度、线性度、分辨率、温度稳定性等都超过了基于传统半导体材料的霍尔元件,而且制备工艺简单,容易得到高性能的石墨烯磁敏传感器.基于化学气相沉积(CVD)生长并转移到绝缘基底上的石墨烯材料,批量制备出高质量性能均匀的石墨烯霍尔元件.通过低温的器件加工工艺,将石墨烯霍尔元件集成到硅基互补性金属氧化物半导体(CMOS)电路中,实现了高性能混合霍尔集成电路,展示了石墨烯霍尔元件与硅基CMOS集成电路良好的工艺兼容性.     

利用红荧烯激子能量共振分析三重态激子-电荷作用的磁电导机制

为了研究三重态激子与电荷作用(triplet-charge interaction,TCI)产生磁电导(magneto-conductance,MC)的原因,分别用Al,Li F/Al和Ca等不同功函数的金属作为阴极制作了一系列红荧烯(rubrene)型有机发光器件.在室温下Al电极器件中出现了随磁场增加单调下降的负MC.器件的电流-电压特征曲线表明,Al电极器件中空穴为多余载流子,电子注入困难易形成陷阱电荷.利用rubrene中单重态激子(singlet,S)和三重态激子(triplet,T)的能量共振改变S激子裂变(STT)和T激子聚变(TTA)来调控T激子的比率,并通过更换阴极来改变电子注入势垒高度从而调控电荷(charge,C)的浓度,最终实现对TCI的调控.调控结果表明,Al电极器件中负的MC不应该是T激子与多余空穴通过解离或者散射通道的TCI引起的,而是T与陷阱中的束缚电子通过TCI的去陷阱(T+C_t→S_0+C)通道淬灭导致的.另外,载流子注入较为平衡的Li F/Al和Ca电极器件的MC比Al电极器件的小1个量级,且随磁场的增加先减小后增大,这并非是因为平衡注入器件内的TCI弱,而是由于器件内rubrene功能层中的陷阱容易被电子占满,TCI去陷阱淬灭通道和陷阱捕获淬灭通道对电流的影响变低.因此,载流子陷阱在TCI的磁效应中具有重要地位,使有机功能层中的陷阱尽量多且不易被载流子占满是利用TCI磁效应的重要方向.     

石墨烯柔性超级电容器

石墨烯具有独特的二维纳米结构、高比表面积和优异的电化学性能,而且变形后仍保持器件的原始性能。分析了石墨烯柔性超级电容器的工作原理,研究了以石墨烯为电极材料的柔性超级电容器的变形特性,其变形类型可由小角度弯曲、卷曲和拉伸扩展至任意静态变形,甚至动态变形。最后对石墨烯柔性电容器在便携式电子器件中的应用进行了展望。     

有机分子器件输运性质的接触距离效应

在两金电极间置于空间对称的苯硫(PDT)分子构成一分子器件模型, 并通过移动其中一电极变对称接触为非对称接触. 利用第一原理方法研究了该器件的输运性质, 结果表明, 器件的I(G)-V特性相对偏压极性有显著的非对称, 其电流及电导的大小明显地依赖于分子与电极的接触距离, 即非对称接触能导致器件伏安特性的弱整流效应. 分析表明最高占据分子轨道(HOMO)是器件的共振隧穿轨道, 偏压作用使器件充电进而移动HOMO是I(G)-V非对称性的内在原因.     

石墨烯导电墨水研究进展:制备方法、印刷技术及应用

传统印刷技术与微电子制造的交叉技术——印刷电子技术的发展得益于微纳米材料制备技术的成熟.二维纳米碳材料石墨烯由于其独特的结构和突出的性能,可与传统金属或高聚物材料共同作为导电墨水主要导电组分.本文讨论了目前石墨烯导电墨水制备中的关键问题、不同制备方案及其优劣之处;评述了石墨烯导电墨水印刷工艺的研究进展,包括传统印刷技术和新型印刷技术中的应用与难点.最后,总结了石墨烯导电墨水在柔性功能器件(基本电路元件、能量存储和力学/化学传感器件等)中的应用现状.