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材料学院翟天佑教授团队在二维光电子器件领域取得重要进展

发布时间:2019-07-27 编辑:蒋文海 来源: 浏览次数:

(通讯员 诸葛福伟)7月27日,材料学院新材料与器件研究中心团队在《自然∙通讯》(Nature Communications)上发表了关于二维光电子器件的突破性研究成果: Reconfigurable Two-Dimensional Optoelectronic Devices Enabled by Local Ferroelectric Polarization。材料学院2016级博士生吕亮为论文第一作者,翟天佑教授和诸葛福伟副教授为论文的通讯作者。

二维半导体材料因其特有的层状结构,其表面无悬挂键,层间量子限域效应使其在原子层级厚度具有高迁移率,相对于经典的Si、Ge等支撑当前信息技术的核心半导体材料,在尺度进一步缩小的各种半导体器件中有巨大的应用潜力,包低功耗晶体管、存储器及各种光电子器件等。然而,如何实现对二维半导体材料的可控掺杂成为阻碍器件功能化的一个关键障碍,目前研究中采用方法普遍存在不足(如化学方法可控性差,静电栅控方法存在易失性问题等)。类比于集成电路和蓝光LED等半导体产业的发展历史,解决这一问题或许是攻克二维材料应用瓶颈的关键突破口。

铁电材料在受到外加电场极化后对外加电场具有记忆性和保持性,将铁电材料与二维半导体材料复合,依靠铁电材料非易失性的剩余极化场对二维半导体材料进行静电掺杂,被认为是一种解决二维半导体掺杂问题的潜在方案。在该论文中,团队利用铁电聚合物P(VDF-TrFE)的非易失剩余极化对二维材料进行掺杂并在此基础上开展光电子器件优化设计研究。尽管前期已经有部分研究构建了二维-铁电复合器件,但金属接触电极的屏蔽效应阻碍了铁电极化对接触区的掺杂效果,无法实现有效的电子或空穴掺杂反转。在该研究中,团队通过翻转二维材料与金属的接触界面,使二维材料直接接触铁电材料并受其极化影响,成功实现了对MoS2、WSe2等典型二维半导体材料的电子和空穴掺杂,载流子浓度可通过调整极化电压在大范围内(107-1012cm-2)灵活控制,使这一方案真正能够用于各种二维半导体的掺杂与器件集成。

研究中,团队利用了原子力显微镜的探针来实现对器件区域内铁电极化图案的设计,空间分辨率接近200nm。基于铁电体极化可翻转特性,团队在单个器件上实现了不同构型的光电探测器,包括光电导器件、PN结型光电二极管以及NPN双极光电晶体管等,并通过光电流成像清晰的证明了不同器件的工作原理差异。所构建的NPN双极性光电晶体管器件表现出了最优的光电探测性能,响应度>10A/W的同时,可以保持<20μs的超快响应速度,是目前二维光电探测器中的最好水平。研究展示了铁电极化调控方式在优化构建光电子器件方面的特殊优势,而其特有的可重构、非易失特性等也赋予了单个器件多功能化,有助于进一步推动光电子器件工艺的微型化和集成化,有望进一步衍生出一种全新的器件结构以适用于不同的应用场景。

图1. 利用探针调制的铁电极化在二维半导体内控制电子和空穴的分布

图2.(a)研究所采用的探针极化方式示意图,(b)基于极化图案设计实现的各种构型的光电探测器件性能比较。(c)、(d)分别为在同一器件上构筑PN二极管和NPN结型光电晶体管时所用的铁电极化图案。

该研究受到国家杰出青年基金,国家自然科学基金青年基金、湖北省创新研究群体等项目的大力支持。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11328-0