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东南大学科研团队发明可用于红外光探测的“慧眼”

发布者:李震发布时间:2018-03-12浏览次数:2626

光,让整个世界姹紫嫣红、五彩斑斓。而光电探测器则是一种将光转变为易于人们识别的电信号的器件。人类的眼睛便是一种天然的光电探测器,通常人眼观测的可见光波长范围在380~780纳米之间。波长大于780纳米波长的红外光,则是人类的眼睛无法识别与辨认的“隐形光”。然而,红外光在电子通讯、安防监控、生物医疗、军工航天等领域都发挥着极为重要的作用。近日,东南大学电子科学与工程学院张彤教授团队与英国剑桥大学Daping Chu教授课题组合作提出了一种基于新型二维材料二硫化钼的全新机理的光电探测器件,首次实现了突破二硫化钼带隙的红外光探测,该项研究结果以“宽光谱响应二硫化钼场效应光晶体管:超灵敏可见光光响应和红外负响应”为题发表在材料类国际顶尖期刊Advanced Materials (《先进材料》影响因子19.791)上。

在这项研究中,他们利用新型二维材料二硫化钼奇特的光电性质,在同一个器件中观察到了对可见光的超灵敏光电流正响应,以及对红外光的快速负响应反常现象,这意味着在获得高灵敏可见光探测的同时,该探测器还能进一步拓展光响应范围至人眼所无法观测的红外波段,就像是人类的另一双“慧眼”。这一发明改变了人们长期以来认为“光子型可见光探测器受带隙限制无法用于红外探测”的传统观念,为纳米光电探测器件的研究提供了全新的视角。同时,由于这一探测器的结构工艺简单、制作成本低、性能重复性好,非常适合于产业化推广,预计在不久的未来,将在军用与民用等领域获得广泛的应用。

值得一提的是,该团队的第一作者是一位年轻的“90后”博士——东南大学电子科学与工程学院博士生吴静远。早在2012年秋,张彤教授在剑桥大学访学,在与同事一次无意之间的交谈中,讨论了新型二维材料二硫化钼用作光电探测的前景,当天张彤教授就兴奋地打电话回国,安排研究生进行相关调研,而当年刚入学的吴静远正是团队中最早接触二硫化钼研究的学生之一。

为了获得更多的科研进展,2015年,经导师张彤教授推荐,吴静远前往剑桥大学工程系光子与电子学中心访学,师从于工程系先进光电与电子研究中心主席Daping Chu教授。在这里,她带着张彤教授的期待开始了基于二硫化钼晶体管的制备实验。然而,科研的道路从来没有“坦途”,由于晶体管器件的制备流程非常繁琐,包含机械剥离二维材料、光刻电极图案、蒸镀金属电极、光刻胶剥离等数个步骤,一个器件完整的制备流程通常需要整整一天的时间,而每一步稍有差池,就会导致探测器性能不佳,影响实验结果。其中,在“光刻”这一关键步骤中,一般的器件尺寸大,仅需要调试几秒钟就可直接对准,而机械剥离得到的二硫化钼宽度仅为几微米,需要借助显微镜将两个数十微米大小、间距为5微米的电极正好对准到二维材料两边,这必须通过手动调节,操作人员需要十足的耐心与细心。对于新手来说,这样一个对准过程就需要半个小时以上,不少剑桥的同事尝试过之后纷纷表示“要放弃”。可对于争分夺秒探索科研成果的吴静远来说,从没想过“放弃”两个字。所谓“熟能生巧”,经过几个月里数百次的实验,她的光刻操作已经十分娴熟,对准一个样品不超过五分钟。有一次,她正在聚精会神的做实验时,突然听到了警报响起,走到楼道才发现浓烟滚滚,原来是隔壁实验室发生了火灾,实验超净服都没来得及脱掉的她匆忙和同学们一起跑了出去,满脑子想的却是做了一半的样品还落在实验室。

2016年夏,吴静远得到了一些可喜的实验成果,与现有报道的器件相比,他们的器件可见光灵敏度高出了两个数量级,并可用于微弱光信号检测。正在她苦于接下来的研究方向不明朗时,张彤教授再次来到了剑桥大学。在Prof. Chu的办公室里,三个人开展了深入的探讨,张彤教授建议在二硫化钼探测器对于可见光的高灵敏探测性能的基础上,进行红外光的探测。一年访学即将结束之际,吴静远申请延期四个月,继续完成探测器的研究。根据现有文献记载,基于二硫化钼的探测器一般都是用于可见光探测,由于二硫化钼对于800纳米波长之后的光吸收很弱,因此通常认为二硫化钼光探测器对于红外光响应很弱,对于1033纳米波长的光甚至无法再响应。然而,当吴静远第一次尝试用980纳米的光照射在探测器上时,却发现器件有明显响应,且呈现负的光电流这种反常现象,在排除了测试仪器干扰问题,并测试了多个器件之后,他们开始分析这一反常现象的物理机制。通过进行低温电学测试,他们发现随着温度升高,二硫化钼电导率下降,这正好可以用来证实红外光引起负电流响应的原因。当他们继续增加光源波长至1550纳米,也观察到了相同的负光电流响应行为,而这正印证了他们的预测——二硫化钼可见光探测器可以突破带隙限制,用于红外光的探测!

2017年初开始,张彤教授团队细致的整理了该项研究的成果,并在2018年初顺利发表在了顶尖期刊Advanced Materials 上。同时,该期刊还为这项研究成果专门制作了视频介绍,在官方网站和youtube、腾讯视频等网站推出,该研究引起了国际纳米光电器件领域的极大关注。

自2010年起,张彤教授团队先后主持承担了科技部国家重点研发计划项目、总装备部探索研究“重大”项目等十余项国家重点项目,并取得了一系列令人瞩目的科研成果:发表SCI期刊论文80余篇,编写光电子技术著作1部和微纳光子学相关译著3部,申请中国发明专利50余项,获得授权中国发明专利近30项,授权美国发明专利4项,国际PCT专利1项……而二硫化钼探测器的发明成为了该团队在光电器件领域的又一突破性重磅成果。

“不畏艰难,不忘初心”是张彤教授对于该团队的要求,是他们不断超越、勇往直前的“座右铭”,更是团队捧得丰硕学术成果、领跑纳米光电领域的“动力之源”。(吴婵)


(责任编辑:吴婵  审核:江雪华)

  

  


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