基于二维材料的压电光电子学器件

二维(2D)材料由于原子级超薄、可调带隙和优异的光电性质,在柔性光电子学领域有着巨大的潜力.利用应变诱导的压电势或压电极化电荷可以调控二维材料界面载流子的传输和光电过程,这种将压电、半导体特性、光激发三者耦合产生的压电光电子学效应推动了新型二维材料光电器件的开发,特别是压电光电子学增强的光电探测、光电化学、气体传感和太阳能电池等方向.本文简要综述了近年来二维材料在压电光电子学领域取得的研究进展,并对这一新兴领域未来的挑战和科学突破进行了展望.     

高电场下弛豫铁电体的场致效应

弛豫铁电体在热释电、介电、电场调制微波器件和电致伸缩器件方面有着广泛的应用.这些应用均涉及电场的作用.因电场会导致极化强度增大,并连续地延伸到顺电相,从而产生了电场诱导效应.用弯曲近似法对极化强度在电场作用下随温度的连续变化做近似,得到了介电系数峰值在高场下随电场2/3次方的变化规律.与介电峰在电场作用下移动的实验结果基本一致.理论数值模拟发现:存在一个与热力学参量相关的极化温度系数,其值越大,场致介电移峰效应越小,且热释电系数越大;反之,如果场致介电移峰效应越大,电场调制微波器件的介电可调性及可调性的温度稳定性会越好.上述研究结果对掺杂改性研究微波器件的介电可调性和热释电性有一定的参考作用.     

摩擦伏特效应

摩擦起电是一个普遍存在的现象,几乎发生在任何材料界面,其中半导体之间的摩擦起电具有独特的性质.当p型半导体在n型半导体表面摩擦时,两个材料界面在机械滑动的作用下发生化学键的断裂以及新化学键的生成,释放能量(简称键合子“bindington”)并激发半导体界面电子-空穴对.摩擦激发的电子-空穴对在p-n结处的内建电场作用下分离并产生直流电,这个过程与光伏效应类似,因此该现象被命名为摩擦伏特效应.摩擦伏特效应与光伏效应唯一的不同是摩擦伏特效应中电子-空穴对是由界面原子瞬时结合成键而释放的能量所激发,而光伏效应是由光所激发.本文回顾了近年来摩擦伏特效应研究的相关进展,总结了基于摩擦伏特效应的摩擦伏特发电机技术及其潜在应用.摩擦伏特效应作为半导体界面接触起电中重要的一环,对其研究不仅有助于深入了解接触起电的机理,还有望推动摩擦纳米发电机、半导体等研究领域的发展.     

压电电子学及其仿生智能传感

在低维压电半导体材料(比如ZnO和GaN)中,压电极化和半导体电子传输特性的耦合可以给器件带来预想不到的性能.这大大提高了研究人员对压电电子学这一新兴领域的兴趣.另外低维压电半导体材料拥有优异的机械特性,可以被集成到能够应对巨大应力的柔性器件中,外部的机械刺激为柔性器件运行中的电荷-载流子传输,载流子的产生、复合以及分离提供了新的调制方法.本综述回顾了压电电子学的基础理论,不同维度材料体系中的压电电子学,压电电子学晶体管的分类,及广义压电电子学晶体管的应用方面的最新研究进展,并对将来的研究方向进行了深入讨论.     

摩擦电子学及主动式机械感知

摩擦电子学作为摩擦电与半导体耦合的新研究领域,可以通过机械运动产生的摩擦电荷调控半导体中的电传输与转化特性,建立外界环境与半导体器件的直接交互机制,实现各种主动式功能器件,为人机交互、微纳机电系统、传感和自驱动系统等应用提供全新的思路和途径.本文系统地综述了摩擦电子学的研究进展,首先介绍了摩擦电调控场效应作用机理以及摩擦电子学晶体管基础器件;其次介绍了研制的各种摩擦电子学功能器件,展示了其对于外部环境的主动式机械感知;最后对摩擦电子学领域的研究进展及待解决的问题的进行了总结,并展望了该领域未来的发展方向.     

自旋电子学功能材料进展

巨磁电阻效应的发现开拓了磁电子学的新学科,20世纪90年代,磁电子学得到迅速的发展,并在应用上取得显著的经济效益与巨大的社会效应,本世纪初,研究的重点已转移到半导体自旋电子学的新方向,并已取得重要的进展。本文将结合我们科研组的研究工作,概述从磁电子学到半导体自旋电子学材料的发展,重点介绍稀磁半导体材料研究的进展。     

压电光子学效应及其应用

近年来,压电光子学作为一个新兴的研究领域吸引了学者们的广泛关注.压电光子学效应是压电半导体的压电极化和光激发的耦合,是利用应变诱导的压电极化调控材料能带结构进而控制电子-空穴的复合发光过程.压电光子学效应为新光源、智能触觉传感和机械光子学等重要技术提供了研究基础,尤其结合第三代、第四代半导体材料同时具有压电效应和半导体特性的优势,有望实现高性能的力-致发光器件.本文简要介绍了压电光子学效应的基本原理、材料体系以及压电光子学器件的研究进展,并对这一学科的未来发展进行了展望.     

交流光伏效应

以p-n结为代表的传统光伏效应产生直流电.除了直流光伏效应,本文介绍了自然界还存在另一种新型的遵循麦克斯韦位移电流模型的光伏效应,该效应被命名为交流光伏效应.在该效应中,当光周期性地照射在两种材料的界面或结区时,邻近界面或结区的材料的准费米能级会发生相对移动和重新排列,为了平衡准费米能级移动造成的电势失衡,电子将通过外电路流动,从而产生交流电.高开关频率下的交流峰值光电流可以比来自普通光伏机制的光电流高得多.交流光伏效应不仅可以用于远程无线电源,还可为高灵敏的宽光谱检测提供一种新方法.该效应是王中林团队于2020年首次发现的.     

太阳能驱动热电子-热辐射耦合器件的优化性能

基于真空热电子和热辐射器件模型,构建一类太阳能驱动热电子-热辐射耦合器件的理论模型.应用有限时间热力学、热电子发射和普朗克辐射理论,导出耦合器件的热平衡方程和能量转换效率表达式.首先,讨论热电子器件短路、热辐射器件开路、两子器件串联时的热学和电学性能,分析系统在最大效率时的参数特性.其次,确定两子器件独立运行时的系统最...     

TiO_2纳米阵列的制备、表面修饰及其在钙钛矿太阳电池中的应用

一维TiO_2纳米阵列具有直接的电子传输通道,在太阳电池中作为电子传导材料引起了广泛的关注.以水热法制备的金红石相TiO_2纳米阵列作为有机无机杂化钙钛矿太阳电池电子传导支架,系统研究了TiO_2致密层引入对纳米阵列生长和组装器件光电性能的影响;考察了TiO_2纳米棒棒长和TiCl_4水浴处理等对纳米阵列微结构和组装电池光电性能的影响.致密层的引入有利于获得垂直取向TiO_2纳米阵列,纳米棒棒长的优化有利于光生载流子的快速分离和传导,而采用TiCl_4水浴处理TiO_2纳米阵列,不仅增大了纳米阵列的比表面积,有利于吸附更多的钙钛矿晶体和提升电池对光的俘获,同时TiCl_4水浴处理产生的小纳米颗粒有助于填补钙钛矿晶体与纳米阵列间的缝隙,促进更好的界面接触,从而抑制载流子传导过程中的复合,提升电池性能.在引入TiO_2致密层后,进一步采用0.1 mol/L TiCl_4处理的TiO_2纳米阵列组装的电池展现最优的光电性能,其短路电流密度、开路电压、填充因子分别达到22.88 mA/cm~2,1.04 V和63.58%,电池的能量转化效率达到15.11%.     

超导纳米线单光子探测技术进展

超导纳米线单光子探测技术自2001年出现以来,已经成为超导电子学领域的一个热点研究方向.作为一种新型的单光子探测技术,其具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、计数率高、响应频谱宽、电路简单等优势,综合性能在近红外波段已经明显超越传统的半导体探测技术,成为一种主流的单光子探测技术.本文从应用基础角度出发,对超导纳米线单光子探测器件的材料、器件工艺、性能、系统集成以及前沿应用等进行介绍,并对国际上该领域研究未来的发展趋势进行探讨.     

光子增强热离子发射太阳能电池混合功率系统参数的优化设计

考虑实际系统中存在的多种传热损失,本文建立一类不可逆光子增强热离子发射太阳能电池与温差热电发电器组合而成的混发电系统模型.基于太阳能电池与温差热电发电器之间的能量平衡方程,导出该混合系统输出功率和效率的表达式.通过数值计算,详细分析了光增热离子太阳能电池的面积、阴极半导体材料的禁带宽度、电子亲和势以及温差热电发电器的无量纲电流对混合系统优化性能的影响,确定混合发电系统运行于最大效率下光子增强热离子太阳能电池阴极材料的禁带宽度,电子亲和势,电池面积和温差热电发电器的无量纲电流的优化值.结果表明,采用混合发电系统,太阳能转换效率与工作于相同条件下的单一光增热离子太阳能电池的效率相比可提高约10%,而光增热离子太阳能电池阴极半导体材料禁带宽度在最大效率下的优化值则比单一光增热离子太阳能电池的小.本文所得结果可为实际光子增强热离子太阳能电池混合发电系统的设计和优化运行提供理论依据.     

热及电场诱导石英玻璃的理论分析

基于实验结果, 归纳了热及电场诱导石英材料的3个基本结论. 在此基础上, 计算了经热及电场诱导块状石英玻璃的二阶非线性光学系数, 并得到了该值与诱导中的外加电压和诱导后产生的非线性层厚度的关系. 理论结果表明：经诱导的块状石英玻璃的二阶极化率χ⁽²⁾ 和二次谐波效率h 分别与外加电压成平方根和平方关系. 经一般热及电场诱导后, 块状石英玻璃的χ⁽²⁾ 为0.2~1.6 pm/V. 当热及电场诱导石英玻璃近似达到稳定状态后, χ⁽²⁾ 随着诱导时间的延长而减小. 理论结果与实验报道相当吻合.     

热活化延迟荧光材料CzDBA掺杂器件的反常磁响应

CzDBA是一种donor-acceptor-donor (D-A-D)型的热活化延迟荧光(TADF)材料,具有比普通D-A型的TADF材料更好的发光性能.为了探究基于CzDBA发光器件的微观过程,本文制备了发光层为CzDBA和4CzTPN-Ph的两种器件,并在室温下测量了它们的电致发光的磁效应(magneto-ele...     

ZnTe/ZnTe:Cu复合背接触层对CdTe太阳电池器件性能的影响

将真空共蒸发技术沉积的ZnTe/ZnTe:Cu复合薄膜应用于CdS/CdTe太阳电池, 作为碲化镉与金属背电极间的过渡层. 比较了有无ZnTe复合背接触层的两种CdTe电池的光、暗电流-电压(I-V)曲线和电容-电压(C-V)特性, 并研究了本征ZnTe薄膜厚度和背接触层的退火温度对电池性能的影响. 结果表明, 有复合背接触层的CdTe光伏器件, 能够消除暗I-V曲线饱和与光、暗I-V曲线交叉现象, 且填充因子在没有高阻透明薄膜的情况下达到了73%. 结合CdTe电池的能带图讨论了其中的原因.     

硅基光电子发光材料与器件

用光子作为信息载体的光互连是硅集成电路的发展趋势之一,而硅基光互连的实现,必须发展与当前集成电路制造工艺兼容的高效硅基光源.本文概述了近年来国际上硅基光源的主要研究成果,重点介绍了我们研究组在硅量子点、硅晶体缺陷、硅基氮氧化物薄膜和硅基氧化物半导体薄膜发光材料与器件等方面的研究进展.     

ZnO纳米阵列基钙钛矿太阳能电池的光电性能分析

近年来钙钛矿材料CH3NH3Pb X3(X=Cl,I,Br)因其在可见光范围的吸光系数大、成本低廉、能量转换效率高等优势而得到快速发展.本文采用低温化学水浴沉积制备出有序的Zn O纳米阵列,进一步在Zn O纳米阵列上旋涂不同体系的Ti O2,制备出Zn O/Ti O2复合阵列结构作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层,通过改变Ti O2掺入体系探究电极的微结构变化和电池光电性能.研究表明,Zn O纳米阵列经过Ti O2浆料处理的复合体系组装的电池具有最优的光电性能,进一步考察Ti O2浆料浓度对电池性能的影响表明,当Ti O2浓度为0.1 mol/L时得到最佳性能,其组装电池的开路电压(Voc)达到0.93 V,短路电流(Jsc)为15.30 m A cm-2,填充因子(FF)为43%,效率(η)为6.07%.效率的提升主要是因为钙钛矿能深入Zn O阵列的间隙,同时在阵列的上部形成了均匀致密的覆盖层,有效提高了电池的光俘获,同时抑制了载流子的复合.在Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构优化浆料浓度的基础上,进一步对纳米阵列采用Ti Cl4溶液进行处理,电池的光电性能得到大幅提升:Voc=0.99 V,Jsc=19.09 m A cm-2,FF=58%,效率η达到11%.性能提升的原因主要是Ti Cl4溶液对复合纳米阵列的处理,引入了小Ti O2纳米颗粒到Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构中,有效地填补了阵列中的间隙,后续旋涂钙钛矿材料,阵列上部的钙钛矿覆盖层和间隙中的钙钛矿纳米晶,其光照后产生的载流子都可以与电子传输层有很好的接触,从而快速地经由Zn O阵列传导至导电衬底,此外小纳米颗粒的引入,也增大了电极的表面积,提高了对钙钛矿物质的吸附,增大了光俘获,因而电池的整体性能都得到提高.     

深亚微米纤锌矿相AlGaN/GaN MODFET输出特性的微分负阻效应

用全带组合Monte Carlo方法模拟了Al_0.15Ga_0.85N/GaN MODFET 的直流特性. 模拟器件的栅极长度L_g为0.2 μm, 沟道长度LDS为0.4 mm. 在模拟得到的I_DS-V_DS输出特性曲线中, 发现了微分负阻效应, 即V_GS为固定值时, 当V_DS逐渐增加, 并达到某一阈值时, I_DS会随着VDS的增大而减小. 对GaN体材料的速度-电场特性和对器件的二维电子气沟道内的电场和速度分布的分析表明, 沟道内电子平均漂移速度的负阻效应导致了输出特性的微分负阻效应, 二维电子气沟道内的瞬态输运对微分负阻特性也有一定影响. 这种效应只有在超短沟道MODFET中才能发生.     

硅基光电子学研究进展与趋势

近年来硅基光电子材料和器件受到高度的重视.利用外延生长和键合技术成功研制出硅基应变赝衬底、GexSi1-x/Si量子阱、高密度锗量子点、硅基InGaAsP/Si异质结,这些进展为硅基光电子器件提供了坚实的材料基础.同CMOS工艺相结合,实现了硅量子点1.17 μm的受激发射,研制出硅基Raman激光器、1.55 μm混合型激光器、高灵敏度的Si/Ge探测器、谐振腔增强型的SiGe光电二极管、调制频率30 GHz的SOI CMOS光学调制器和16×16的SOI光开关阵列等.硅光电子学将在光通信、光计算等领域获得重要应用.本文综述了国内外硅基光电子材料和器件的进展、我们的研究结果和硅基光电子学的发展趋势.     

有机场效应晶体管及其集成电路研究进展

有机场效应晶体管在低价、大面积、柔性电路中具有非常光明的应用前景,因而受到科学家们及工业界的广泛关注．近几年来,有机场效应晶体管在材料、器件性能及电路集成方面都取得了长足的进展．本文从有机场效应晶体管的材料、器件构筑、器件的工作原理、电路仿真与集成方面,简单的综述了有机场效应晶体管及其集成电路的最新研究进展．