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上海大学,王伯根教授课题组二维材料异质结红

时间:2019-11-29 16:06来源:产品测评
1月21日下午,我校校友、中国科学院半导体研究所研究员、973项目首席科学家、国家杰出青年科学基金获得者、新世纪百千万人才工程国家级人选、中科院半导体材料科学重点实验室主

1月21日下午,我校校友、中国科学院半导体研究所研究员、973项目首席科学家、国家杰出青年科学基金获得者、新世纪百千万人才工程国家级人选、中科院半导体材料科学重点实验室主任刘峰奇研究员应邀来我校讲学,刘研究员在物理南楼二楼报告厅做了题为“量子级联激光器:从中红外到THz”的学术报告。河南省光伏材料重点实验室主任常方高教授、相关领域的学术骨干、研究生及本科生70余人参加会议。会议由物理电子学院院长杨宗献教授主持。

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物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的缪峰教授课题组和王伯根教授课题组合作,在基于新型二维材料异质结的红外探测器研究领域取得重要进展,相关论文于2016年2月17日发表在《Nano Letters》杂志上(Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04538 。该工作主要由南京大学和上海技术物理所合作完成,邢定钰院士指导并参与了本文的工作。该论文的第一作者是物理学院博士生龙明生,通讯作者是南京大学缪峰教授、王伯根教授及上海技物所胡伟达研究员。

刘峰奇研究员从量子级联激光器的概念开始讲起,简单介绍了能带理论、量子力学相关的基础知识;详细讲述了半导体光电材料的能带工程、量子材料的设计、量子级联材料的可控生长及量子级联激光器器件集成等方面的基本原理和技术工艺;重点阐述了如何可控生长量子级联材料、如何研制具有级联特征、小型、高速响应、大功率波长、可大范围调节等特点的红外波段的量子级联激光器件。在报告中,刘研究员用大量的图片向与会师生展示了其科研团队近期所取得的科研成果以及量子级联激光器在环境检测、医学、红外探测、新型照明、航天技术、空间通信和传感等领域的广阔应用。

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10月26日下午,应我校物理与材料科学学院邀请,中国科学院上海技术物理研究所研究员戴宁来我校讲学。报告会在物理北楼三楼报告厅举行,物理与材料科学学院相关专业师生200余人参加了报告会。

以石墨烯为代表的二维材料因为原子级的厚度以及在电学、光学、热学、机械等方面的优异性能,有望在众多领域获得广泛的应用。目前已知或处于探索阶段的二维材料包括了从导体、半导体(例如过渡金属硫族化合物)到绝缘体的众多种类,这些材料还可以进行可控转移和堆垛,实现原子尺度的同质或异质结,从而为人们在信息器件领域实现可能的突破提供了重要的机遇。

上海大学,王伯根教授课题组二维材料异质结红外探测器领域重要进展。与会人员就量子级联材料的可控生长、量子级联激光器的技术集成等方面问题与刘研究员进行了广泛的交流。

2014年3月21日,中科院半导体所刘峰奇研究员应邀访问我校并在F307报告厅为我院师生作了“红外量子级联激光器及其应用”的学术报告,本次报告为我院当代科学前沿讲坛的第193讲。

戴宁以《红外探测--人类观察黑暗世界的天眼》为题,首先对低温目标红外辐射的灵敏探测和成像在航天和深空探测中的重要应用价值进行了概述,并说明了300 K 以下低温目标的辐射强度很弱, 辐射特征波长位于中远红外区。阻挡杂质带红外探测器是中远红外探测器中重要的一员, 具有覆盖波段宽、灵敏度高、暗电流低、抗辐射性能高等优点, 能够胜任空间技术和天文探测在中远红外波段探测的苛刻要求。戴宁以红外天文探测对红外探测器的应用需求作为出发点, 主要就国内外红外天文学、红外天文探测器发展概况, 阻挡杂质带红外探测器发展历史及其材料、器件结构等方面做了简要综述, 并简明扼要地介绍了阻挡杂质带探测器的器件物理模型。报告结束后,戴宁与现场师生进行了互动,就大家提出的相关问题,给予了耐心细致的解答。

这项工作创造性地设计了一种被称为“p-g-n”的新型范德瓦尔斯异质结,即选取两种不同掺杂的半导体二维材料和石墨烯,将石墨烯作为中间层堆垛实现原子层厚度的三明治结构。该结构中,原子层厚度p-n结因为强内建电场的存在,可以有效降低暗电流和提高响应速度;石墨烯因为具有零带隙和线性色散关系,能够有效实现宽波段吸收。在实验上,按照上述器件设计思路,这项工作结合机械解理、定向转移及微纳加工工艺,得到了高质量具有原子级平整界面的WSe2-graphene -MoS2异质结探测器器件,并观测到非常优异的性能。在可见光波段的激光照射下,p-g-n异质结探测器光电响应率达到4250 A/W,比探测率达到1015Jones;在近红外波段和通信波段,响应率达到安每瓦的量级,比探测率达到1011Jones的量级,并在室温下实现了2.5 um的红外波段探测。此类探测器也表现出非常快的响应速度,实验分别观察到53.6us的上升时间和30.3us的下降时间。

报告结束后,在杨宗献院长、常方高主任的陪同下,刘峰奇研究员参观了我校河南省光伏材料重点实验室、光电子技术及先进制造河南省工程实验室。

刘峰奇研究员的报告从半导体光电材料的能带工程与量子材料的设计、量子级联材料的可控生长制备到器件集成和实现,以及应用发展的角度,进行了深入浅出的精彩演讲。以量子级联材料为基础发展的量子级联激光器件,是一种利用半导体耦合量子阱子带间的电子跃迁而产生激光的单极性半导体激光器,是基于量子工程设计的、具有级联特征的、波长可大范围调节的红外波段激光器,其生长材料的波长范围可控,具有小型、高速响应、大功率等特点,报告对该类材料与器件在环境检测、医学、红外探测、新型照明、航天技术、空间通信和传感等领域的广阔应用前景进行了展望。

专家简介:

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刘峰奇研究员简介:

刘峰奇研究员为我国量子级联激光材料领域的著名专家,长期致力于半导体纳米材料及器件、量子级联激光器材料与器件、半导体纳米团簇的有序组装等领域的研究,取得多项有国际重要影响的成果,他所提出的准自由团簇的概念并从实验上证实了准自由团簇的存在,在国际上首次提出了有序排布的应变自组装量子点向量子线的渡越概念并成功实现。在国内外学术刊物上发表诸多系列研究论文,获得国家自然科学奖二等奖2次,2005年国家杰出青年科学基金获得者,国家973红外量子级联激光材料项目首席科学家。

戴宁,中国科学院上海技术物理研究所副所长、红外物理国家重点实验室研究员、博士生导师;中国科学院宁波工业技术研究院新能源技术研究所所长、研究员、博士生导师;上海科技大学教授;中国微米纳米技术学会理事,中国物理学会光散射专家委员会委员,中国真空学会理事,国家自然科学基金委资深专家,上海市物理学会理事,上海市激光学会副理事长,上海市太阳能学会理事,上海市有色金属学会半导体材料专业委员会主任。1997年获国家教委、人事部“全国优秀留学回国人员”称号,获国家教委“跨世纪优秀人才基金”,2001年入选中国科学院“百人计划”,2003年获“国家杰出青年基金”,2004年入选“新世纪千百万人才工程国家级人才”,在中国科学院“百人计划”终期评审获得“优秀”,2010年获上海市“侨界十杰”称号。

p-g-n探测器工作原理示意图;p-g-n器件光电响应率和比探测率随入射波长变化图(插图:器件显微镜照片);器件时间响应图。

刘峰奇,中科院半导体研究所研究员,973项目首席科学家,2005年国家杰出青年科学基金获得者,2007年新世纪百千万人才工程国家级人选,中科院半导体材料科学重点实验室主任,刘研究员长期从事半导体低维材料、物理和器件研究。他在红外及THz量子级联激光器和量子级联探测器和半导体量子点材料、物理和器件做出取得多项有国际重要影响的科研成果。他率领科研团队将能带工程和应变补偿技术相结合,2000年研制成功室温以上工作的波长3.5-3.57微米的应变补偿量子级联激光器;近年来先后研制出波长4.3-11微米的一系列大功率、低阈值、高光束质量的中远红外量子级联激光器,频率2.9-3.4THz的一系列功率大于1W的THz量子级联激光器,以及中心响应波长4.0-19微米的一系列低噪声、高探测率的中远红外量子级联探测器,研制出正入射响应的量子点级联探测器、量子点级联激光器。曾获国家自然科学奖二等奖等奖励。

(物理与材料科学学院 张浩兴)

对于二维材料探测器,单一材料不是完美的选择,例如基于石墨烯的光探测器由于光生载流子寿命过短和暗电流过大等因素,响应率受限;单一过渡金属硫族化合物探测器由于带隙的限制,存在探测波段有限的缺点。这项工作的意义在于,发现通过巧妙利用二维材料异质结可以完美地解决了这一系列问题,并表明二维材料异质结构有可能在未来电子及光电领域实现广泛的应用。

(物理与电子工程学院 宋桂林)

该项研究得到科技部“量子调控”国家重大科学研究计划项目、江苏省杰出青年基金、科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金等资助。

附:

文章链接

缪峰教授课题组主页

(物理学院 科学技术处)

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