Author Affiliations
Abstract
1 School of Microelectronics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
2 Industry-Education-Research Institute of Advanced Materials and Technology for Integrated Circuits, Information Materials and Intelligent Sensing Laboratory of Anhui Province, Anhui University, Hefei 230601, China
3 Faculty of Medicine, Faculty of Biochemistry and Molecular Medicine, University of Oulu, 90220 Oulu, Finland
Two-dimensional layered material/semiconductor heterostructures have emerged as a category of fascinating architectures for developing highly efficient and low-cost photodetection devices. Herein, we present the construction of a highly efficient flexible light detector operating in the visible-near infrared wavelength regime by integrating a PdTe2 multilayer on a thin Si film. A representative device achieves a good photoresponse performance at zero bias including a sizeable current on/off ratio exceeding 105, a decent responsivity of ~343 mA/W, a respectable specific detectivity of ~2.56 × 1012 Jones, and a rapid response time of 4.5/379 μs, under 730 nm light irradiation. The detector also displays an outstanding long-term air stability and operational durability. In addition, thanks to the excellent flexibility, the device can retain its prominent photodetection performance at various bending radii of curvature and upon hundreds of bending tests. Furthermore, the large responsivity and rapid response speed endow the photodetector with the ability to accurately probe heart rate, suggesting a possible application in the area of flexible and wearable health monitoring.
2D layered material heterostructure flexible photodetector health monitoring Journal of Semiconductors
2023, 44(11): 112001
南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏 南京 210003
光子晶体面发射激光器基于光子晶体能带带边模式，形成二维微腔谐振，继而实现光增益和激射，其具有高功率、单纵模等优异特性。基于氮化镓基蓝光激光器结构和速率方程调制理论，对异质结构光子晶体面发射激光器进行了动态调制性能分析。通过仿真计算得出，在所研究的激光器结构参数下，阈值电流为1.76 mA，最大3 dB调制带宽为42 GHz，最低数据发送能耗为62.78 pJ·bit-1，展示出了该结构激光器的基础性能和高速调制特性，为具有大调制带宽的蓝光激光器的设计提供了参考。
激光器 光子晶体面发射激光器 速率方程 异质结构 3 dB调制带宽 发送能耗 中国激光
2023, 50(23): 2301001
1 沈阳大学机械工程学院, 沈阳 110044
2 沈阳大学师范学院, 沈阳 110044
通过第一性原理计算研究了四种二维双层MoSSe/WSSe范德瓦耳斯异质结的光电性质。声子谱表明四种结构具有可靠的热力学稳定性。根据堆垛方式的不同, 双层MoSSe/WSSe异质结可以是间接或直接半导体。而且, 两种Janus型MoSSe/WSSe异质结具有1.22和1.88 eV的适中带隙、显著的可见光吸收系数、跨越了水氧化还原电位的带边位置。因此, Janus型的MoSSe/WSSe异质结构在光催化水分解领域具有一定的应用前景。
第一性原理计算 Janus二维异质结 光催化水分解 声子色散谱 电子结构 光吸收 first-principle calculation Janus two-dimensional heterostructure photocatalytic water splitting phonon dispersion spectrum electronic structure light absorption
1 太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室, 太原 030024
2 山西浙大新材料与化工研究院, 太原 030000
3 陕西科技大学材料原子·分子科学研究所, 西安 710021
本文设计了纳米线核壳AlGaN/GaN异质结构, 研究了势垒层厚度、Al组分、掺杂浓度对平面和纳米线异质结构中二维电子气(2DEG)浓度的影响规律。结果表明, 随着势垒层厚度的逐渐增大, 两种结构中2DEG浓度增速逐渐减缓, 当达到40 nm后, 由于表面态电子完全发射, 2DEG浓度逐渐稳定不变。随着Al组分的增加, 极化效应逐渐增强, 使得两种结构在异质界面处的2DEG浓度都逐渐增加。当掺杂浓度逐渐提高时, 两者在异质界面处电势差增大, 势阱加深, 束缚电子能力加强, 最终导致2DEG浓度逐渐增加, 当掺杂浓度增加到2.0×1018 cm-3后, 2DEG面密度达到最大值。与平面结构相比, 纳米线结构可以实现更高的Al组分, 在高Al组分之下, 2DEG面密度最高可达5.13×1013 cm-2, 相比于平面结构有较大的提高。
纳米线结构 平面结构 二维电子气浓度 异质结构 能带结构 AlGaN/GaN AlGaN/GaN nanowire structure planar structure two-dimensional electron gas concentration heterostructure band structure
1 南昌航空大学 测试与光电工程学院，江西 南昌 330063
2 南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063
半导体异质结构具有良好的束缚载流子的能力与产生大功率太赫兹辐射的潜力。但由于异质结构中等离子体非相干振荡的干扰效应造成了太赫兹辐射强度的大幅度降低，因此能够在基于砷化铝镓（）多层异质结构并通过调节其中铝的摩尔分数来调节窄带隙层的吸收系数，从而使得异质结构每一个窄带隙层的激发载流子数目大致相同，达到几乎完全消除干扰效应的目标。基于砷化铝镓多层异质结构的太赫兹辐射产生模型，结合数值计算研究了宽带太赫兹辐射的输出特性，获得泵浦激光脉冲宽度与产生的太赫兹脉冲之间的定量关系，并分析了泵浦激光脉冲参数对产生的太赫兹脉冲各项参数的影响。本项研究为开展半导体材料与器件相关的宽带太赫兹辐射源提供了一定的理论参考。
多层异质结构 太赫兹 数值计算 砷化铝镓 multilayer heterostructure terahertz numerical calculation AlGaAs
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院&新型纳米光电信息材料与器件湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
过渡金属硫族化合物及其范德华异质结在光电探测方面具有重要的应用前景。近年来，基于光电导效应、光诱导栅控效应、光伏效应、光-热电效应等机理的器件被提出并广泛研究。其中，基于光诱导栅控效应的过渡金属硫族化合物平面型光电器件因其与晶体管相近的器件结构、工艺兼容性以及较高的光电探测响应率而备受关注，然而往往存在响应速度慢、不施加栅压时暗电流大等缺点，制约了器件性能的进一步提升。因此，针对过渡金属硫族化合物光诱导栅控型光电器件，如何提高其响应速度、降低暗电流成为亟需解决的重要问题。该研究通过实验构建石墨烯/MoS2/h-BN/石墨烯垂直异质结构，在传统石墨烯/MoS2异质结中插入宽禁带h-BN势垒层以抑制器件暗电流，同时利用光照条件下光生载流子的FN隧穿效应提升器件的光电响应速度。该研究成功实现了皮安量级的暗电流以及相对较快的光电探测响应速度（响应时间约为0.3 s），相比于传统石墨烯/MoS2异质结器件（响应时间约为20 s）有近两个数量级的提升，同时验证了基于FN隧穿效应的范德华垂直异质结构对于增强光电探测性能的积极作用。
光电探测器 范德华垂直异质结 FN隧穿 MoS2 h-BN 石墨烯 photodetector van der Waals vertical heterostructure FN tunneling MoS2 h-BN graphene 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230217
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室，上海 200083
2 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
3 郑州大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450052
4 中国科学院大学，北京 100049
利用垂直WS2/Ga2O3异质结构中异质界面诱导了反常的光致发光（PL）发射。垂直堆栈的WS2/Ga2O3异质界面使其形成了II型能带结构，导致与Ga2O3层接触的底层WS2的PL强度下降。而异质界面的强耦合作用也影响了双层WS2中的同质层间相互作用，使得上层WS2出现反常的PL增强。这种堆栈新型二维异质结构为定制目标能带结构并控制其光子和电子行为提供一种新的手段。
二硫化钨 氧化镓 异质结 界面 光致发光 WS2 Ga2O3 heterostructure interface photoluminescence
1 CAS Key Laboratory of Standardization and Measurement for Nanotechnology, National Center for Nanoscience and Technology, Beijing 100190, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
In recent years, two-dimensional (2D) materials have attracted extensive interests due to the large exciton binding energy different from bulk materials. Many peculiar properties have been discovered that have far-reaching perspectives in the next generation of optoelectronic devices. In this review, we introduce the forms of exciton existence in 2D materials and several promising 2D materials with good applications at first. Then, we summarize relevant contemporary tools for probing exciton dynamics and methods of regulating 2D exciton transport, for instance, electrical regulation, stress/surface wave regulation and moiré potential regulation, etc. Finally, we conclude the general development of regulation in 2D materials and propose several possible opportunities of application prospect.In recent years, two-dimensional (2D) materials have attracted extensive interests due to the large exciton binding energy different from bulk materials. Many peculiar properties have been discovered that have far-reaching perspectives in the next generation of optoelectronic devices. In this review, we introduce the forms of exciton existence in 2D materials and several promising 2D materials with good applications at first. Then, we summarize relevant contemporary tools for probing exciton dynamics and methods of regulating 2D exciton transport, for instance, electrical regulation, stress/surface wave regulation and moiré potential regulation, etc. Finally, we conclude the general development of regulation in 2D materials and propose several possible opportunities of application prospect.
materials exciton diffusion transition metal dichalcogenide van deer Waals heterostructure trion moiré exciton
1 北京大学材料科学与工程学院，北京 100871
2 深圳大学微纳光电子学研究院二维材料光电科技国际合作实验室，广东 深圳 518060
光电探测器是光通信、光学成像系统的核心组件。光通信波段纳米光电探测器是当前光电信息技术领域的重要研究对象。目前，基于铟镓砷和汞镉碲等传统化合物半导体材料的光通信波段光电探测器面临着制备流程复杂、成本高昂、工作温度低、集成困难等问题。新型二维材料具有独特的结构和光电性质，是制备下一代低功耗、小型化光电探测器的重要材料。主要概述了二维材料光电探测器在光通信波段的研究进展，包括二维材料的独特物理化学性质、光电探测器的基本工作原理和参数指标等，重点论述了基于二维材料及其异质结的光电探测器的研究进展，最后总结了该领域面临的挑战以及发展前景。
探测器 二维材料 光电探测器 光通信波段 异质结 范德瓦耳斯
1 中山大学光电材料与技术国家重点实验室，广东省显示材料与技术重点实验室，中山大学电子与信息工程学院，广东 广州 510275
2 复旦大学芯片与系统研究院，上海 200433
3 广东大湾区空天信息研究院，广东 广州 510700
4 深圳京鲁计算科学应用研究院，广东 深圳 518131
在中红外至太赫兹的电磁场长波谱段，二维范德瓦耳斯晶体石墨烯和α-MoO3能够分别支持等离极化激元和双曲声子极化激元，实现对长波电磁场的纳米尺度聚焦和调控。不同类型极化激元之间的杂化可以进一步丰富极化激元物理特性，为纳米尺度下的电磁场调控带来更多维度。为此开展了α-MoO3薄片和单层石墨烯异质叠层结构声子极化激元-等离极化激元杂化研究。在理论上通过求解二维光波导麦克斯韦波动方程，分析了α-MoO3/石墨烯异质叠层结构中声子极化激元-等离极化激元杂化激元波导模式的传播特性，计算了波导模式的色散关系，揭示了α-MoO3/石墨烯异质叠层结构特有的电磁场传输机制。在实验上通过干法转移制备了α-MoO3/单层石墨烯异质叠层结构，并采用散射式扫描近场光学显微镜对该异质结构的杂化极化激元特性进行了三维空间纳米光学成像表征，验证了理论结果。研究结果为计算范德瓦耳斯二维晶体叠层结构的杂化极化激元特性提供了定量模型，为研究二维晶体中不同类型的极化激元之间的相互作用及其机制提供了理论和实验参考。
材料 声子极化激元 等离极化激元 杂化极化激元 二维范德瓦耳斯晶体 异质叠层结构 散射式扫描近场光学显微镜
