近日，华中科技大学学术委员会主办的“2022年度华中科技大学重大学术进展”评选活动入选成果揭晓，我院翟天佑教授、周兴副教授、博士后刘开朗团队的“二维光电子器件的范德华集成”成果入选。
此次入选的成果体现了学校坚持“四个面向”、对接国家重大需求、服务经济社会发展、主动创新的科学传承，践行了新时代华中大“顶天立地、追求卓越”的办学理念，展现了学者不断超越自我、精益求精、求是进取、勇攀高峰的科学精神。
双极性二维异质结实现感算一体光探测和二维无机分子晶体实现范德华介电层与二维材料的规模化集成
研究背景
随着光电子器件技术的飞速发展和硅基集成电路的器件尺寸日益逼近其物理极限，传统的半导体材料面临着前所未有的挑战，急需开发新型的半导体材料以打破上述尺寸极限。《“十四五”国家信息规划》中提出：前瞻性布局战略性、前沿性、原创性、颠覆性技术，加强集成电路、神经芯片、非硅基半导体等关键前沿领域的战略研究布局和技术融通创新。而二维半导体由于表面效应、和量子限域效应而带来的高载流子迁移率、可调的光电属性、良好的机械柔性以及半导体工艺可兼容性等优点，有望成为硅基半导体的继任者，推动国防科技、信息通讯以及新兴产业的持续发展。
目前的光电子器件在追求高性能的进程中主要存在以下瓶颈：1）传统光电探测器仅能探测光信号而不具有数据处理功能，需要借助计算机系统完成进一步的处理和识别，该过程中需要传输和处理大量的冗余数据，难以满足日益增长的图像信息处理需求。2）光电器件集成时，介电材料表面的悬挂键会造成载流子散射，严重影响半导体的光电性质，使器件性能大打折扣，难以实现高性能光电子器件的集成。针对上述瓶颈，该成果从二维材料的界面调控出发，实现了二维光电子器件的高性能范德华集成：
成果描述
针对光电探测器光信号探测和识别分离的瓶颈，本项目创新性地设计了双极性二维范德华异质结（PdSe2/MoTe2），通过电场调控其能带耦合类型，实现了异质结界面电场的可逆翻转，使其光响应正负连续可调，打破了传统半导体异质结单极性光响应的物理限制。并基于正负连续可调的光响应在硬件层面实现了图像识别的感算一体化，突破了传统图像识别中光信号探测和信息数据处理分离的瓶颈。通过栅压调控异质结的能带耦合类型，使其在II型和III型之间可逆转变，导致其界面电场可逆翻转，进而实现了光响应的正负连续可调。基于上述优异的光电特性，利用基于二维PdSe2/MoTe2异质结的光电探测器对包含大量光谱信息的遥感图像实现了图像锐化和边缘增强等多种图像预处理。在此基础上，实现了宽光谱图像的精确识别，识别精度达到100%。这是首次在硬件层面上实现宽光谱图像识别的感算一体化处理。相关工作以“Broadband convolutional processing using band-alignment-tunable heterostructures”为题发表在Nature Electronics期刊上，华中科技大学材料科学与工程学院为该论文第一通讯单位，材料学院博士生皮乐晶、南京大学博士生王鹏飞和南京大学梁世军副教授为论文共同第一作者，材料学院周兴副教授、翟天佑教授和南京大学缪峰教授为共同通讯作者。
针对介电层与半导体材料不兼容的问题，我们通过热蒸镀方法实现了晶圆级Sb2O3范德华介电薄膜的可控制备及其与二维材料的器件集成。与SiO2等传统介电材料相比，Sb2O3薄膜表面具有更少的载流子散射源和陷阱态，将其作为介电层与二维半导体构筑而成的场效应晶体管具有更高的迁移率和工作稳定性。例如：单层MoS2场效应晶体管的迁移率从26提高到145 cm2V-1s-1，转移特性曲线的回滞减小了一个数量级。蒸镀的Sb2O3薄膜在二维材料表面可形成超薄的致密薄膜，将其作为MoS2场效应晶体管的顶栅介电层，可大幅提高栅极电容，晶体管的操作电压（1 V以内）和功耗都得到明显降低。此外，Sb2O3薄膜展现出优良的环境稳定性，将其作为二维光电子器件的范德华封装层，大幅提高了二维材料的环境稳定性和器件的服役寿命。相关工作以“A wafer-scale van der Waals dielectric made from an inorganic molecular crystal film”为题发表在Nature Electronics期刊上，华中科技大学材料科学与工程学院为该论文唯一通讯单位，材料学院博士后刘开朗为论文第一作者，材料学院翟天佑教授为论文通讯作者。
该成果一经发表，迅速引起国内外多个知名课题组的广泛关注，并对该成果给予了高度评价，多次用“首次”、“全新”、“引领”等评价肯定该成果的原创性。此外，该成果还受到国家基金委、TechXplore等国内外10余个著名科技媒体的专题报道和介绍。
该成果开发出了基于双极性二维异质结的感算一体光电探测原型器件，并研制出了适用于高性能二维光电器件规模化集成的范德华薄膜，极大地推动了二维光电器件从实验室走向工业应用的进程。
重大学术进展评选活动自2017年启动以来，遵循公开、公平、公正及宁缺勿滥原则，立足于宣传华中科技大学具有原创性、引领性的学术成果，在兄弟院校及广大师生中产生了积极影响。
参评成果通过各院系学术委员会或校学术委员会委员两个渠道推荐，先后经过校学术委员会各学科分委员会遴选和校学术委员会全体委员通讯评议、校学术委员会主任会议提名、校学术委员会全体会议答辩评审和校长办公会审议，最终产生十项入选成果。
图文来源：校学术委员会、材料学院
