2017年9月23日
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王枫秋教授课题组在碳基新颖光电器件领域取得系列成果

碳材料在自然界含量丰富,并且是目前唯一的同位素构型涵盖零维到三维的单元素体系。富勒烯、碳纳米管及石墨烯的相继发现,使得碳家族材料成为材料科学和纳米技术领域长期的研究热点。特别是1D碳纳米管和2D石墨烯,在电子和光电子领域展现了巨大的应用价值。南京大学电子科学与工程学院王枫秋教授课题组从全碳复合材料界面处丰富的调控自由度和高效的电子迁移出发,提出将1D的单壁碳纳米管和2D石墨烯结合形成“原子层厚”薄膜,有望形成与传统二维异质结不同的,可规模化制备的光电功能材料。近年来,课题组在全碳异质材料的制备、光电子器件及光电物性研究方面取得了一系列的研究成果。

图1. 石墨烯/碳纳米管异质结示意图

课题组基于石墨烯/碳纳米管异质结薄膜首次实现了全碳宽谱光探测器。针对目前石墨烯基光探测器响应度低和碳纳米管薄膜探测器响应速度慢的问题,课题组利用碳纳米管photogatting效应实现了105的光导增益,在保持宽谱响应(400-1550 nm)的情况下,实现了器件高响应度(>100 A/W)与高响应速度(104 Hz)的协同优化,见图2。该研究也首次将基于二维材料的范德瓦尔斯异质结(van der Waals heterostructures)扩展到了1D/2D复合结构,为研究范德华异质结中基于量子局限效应的新奇物理现象提供了一个全新的平台。相关成果以Planar carbon nanotube-graphene hybrid films for high-performance broadband photodetectors为题发表于国际权威期刊《自然-通讯》(Nature communications 6, 8589, (2015))。

图2. (a) 石墨烯/碳纳米管异质结薄膜器件响应度随光功率的函数关系;(b) 器件的响应速度;(c) 器件的可见光-近红外波段光响应

紧接着,课题组通过光电流表征结合拉曼光谱统计学分析,研究了石墨烯/碳纳米管异质结界面处的载流子动力学,证实了全碳异质结界面处载流子动力学与碳纳米管的手性密切相关。研究发现,半导体型碳纳米管/石墨烯异质结:光照下,光生电子在内建电场作用下向石墨烯转移,形成光电流;而金属型碳纳米管/石墨烯异质结,光电流的产生则是由于光照下石墨烯的热效应引起的。相关成果以Charge transfer at carbon nanotube-graphene van der Waals heterojunctions为题发表于纳米领域知名期刊《Nanoscale》(Nanoscale, 8, 12833, (2016))

图3. (a) 碳纳米管/石墨烯薄膜SEM;(b) 不同碳纳米管/石墨烯界面处电荷转移示意图

全碳体系非凡的力学特性使其在柔性电子学领域具有极大的应用空间,课题组利用石墨烯/碳纳米管异质结薄膜在柔性衬底PET上面构建晶体管,演示了器件在不同应力曲度下依然能够保持很好的光电响应(响应度~50 A/W,响应速度~40 ms),见图4。该工作证实了全碳材料体系具有良好的机械柔韧性,并且具有大面积集成的优势,在可穿戴器件领域具有潜在应用价值。相关成果以Graphene-carbon nanotube hybrid films for high performance flexible photodetectors为题发表于纳米领域知名期刊《Nano Research》(Nano Research 10, 1880, (2017))

图4. (a) 全碳柔性器件示意图;(b) 柔性器件的响应度函数,插图为器件显微镜图像;(c) 柔性器件的响应速度

近期,课题组在类神经元器件方面也进行了探索。随着科技的不断发展,摩尔定律逐渐走向了它的物理极限,对于“类脑芯片”的研究越来越受到重视。与传统计算机处理方式不同,神经形态器件模拟生物大脑进行数据处理,因此在处理直觉(如模式、语音识别等)、非结构化信息方面具有得天独厚的优势。作为类脑芯片的基础,类突触器件近年来获得了广泛关注并成为了该领域研究的焦点。然而,基于电激励方式的传统人工突触器件的数据采集和神经元运算是分离的,同时多数突触器件由于其耦合因子固定,导致其突触权重不易调控,这与生物体中突触的可塑性具有明显差异。这些因素制约了类脑芯片向更高维度智能的实现。基于此,课题组将光子引入神经网络,利用全碳异质结薄膜成功实现了光激励的新颖类突触器件,模拟了短时程、长时程可塑性以及多通道光激励信号的逻辑运算,见图5,使其能够有效模拟人的视觉神经系统(兼具感光功能和光信号处理的一个复杂的神经计算体系)。相关成果以A light-stimulated synaptic device based on graphene hybrid phototransistor为题发表于二维材料研究领域知名期刊《2D Materials》(2D Materials 4, 035022, (2017))

图5.石墨烯/碳纳米管异质结构类突触器件 (a) 短时程 (b) 长时程物理机制及测试结果,通过背栅可调制类突触器件的可塑性。

该系列工作以南京大学电子科学与工程学院、人工微结构科学与技术协同创新中心为主要研究平台,得到了张荣教授、徐永兵教授以及施毅教授的有力支持,并受到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、“青年千人计划”、“江苏省双创团队计划”、“江苏省杰出青年基金”等的资助。

(电子科学与工程学院 科学技术处)