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物理系在低维量子结构材料与器件研发方面取得系列突破性成果

低维量子结构材料与器件具有独特而丰富的物理内涵,已成为当前纳米科学技术领域中最富有活力和最具前景的研究方向,受到人们广泛关注。我院康俊勇教授带领的课题组,长期致力于不同维度量子结构材料的可控生长、新功能开发及器件应用等方面研发,近期取得系列突破性成果,主要内容如下:

 

1.                   二维量子结构材料与器件

人类对紫外光的感知是个盲区。迄今,人们主要通过光电探测器件对较宽波段成像,也就是说,还停留在黑白成像阶段,这限制了人们对自然界的认知。为丰富人们在深紫外光区域的色彩,该课题组利用AlN半导体高势垒和超薄GaN量子势阱,调控基态量子能级远离激发态;结合带边激子增强特性,设计了新型的深紫外波段波长可调的窄带日盲光电探测结构材料。然而,问题是薄至原子层(~0.26 nm)的GaN量子势阱层至今未见能用常规生长III氮化物的金属有机物气相外延方法实现的报道。该课题组的博士生高娜,在李书平教授、黄凯副教授、陈航洋等老师带领下,攻克了金属有机物气相外延难以制备单原子层的难题,熟练、精确地生长出原子层数可控的氮化物二维量子结构;成功将量子能级间光吸收跃迁与带边激子增强相结合,实现了对深紫外光波段不同波长的窄带光电探测;并引入多层量子结构,增大吸收光程,克服叠层共格生长难题,获得更高的光电流和量子效率。该新型器件的成功开发,将引领深紫外光成像从黑白进入彩色时代,使检测结果更加直观、清晰及准确,在医疗检测、安全检查和军事侦查等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。

(详见http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/nr/c4nr04286g.)

 

一直以来,在金属的能带结构中不存在带隙,不能用于控制某种大小能量的电子在某些特定方向上的传播,仅能依靠半导体晶体。人们期冀,用金属材料就能像半导体晶体一样控制电子的传播。这种想法经过该课题组3届博士生的多年攻关,如今已变成了现实。周颖慧和吴雅苹博士采用分子束外延法,在Si (111) 7X7再构表面上首次成功制备出大面积全同团簇,通过量子耦合效应形成有别于石墨烯的有序二维晶格。张纯淼博士生的研究结果清晰展示了不同波长电子和空穴在该二维晶格中传播时所呈显出特殊的选择和过滤功能,即独特的传输带隙。该新型功能二维金晶格的开发,揭开了用金属材料控制电子传播的崭新一页,为其新型器件的开发奠定坚实的基础。

(详见http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/nr/c4nr01329h.)

 

2.          一维量子同轴线及其太阳能电池

太阳能利用是人类解决能源紧缺和环境污染问题的重要措施。常规的太阳能电池基于半导体p-n结吸收能量大于其带隙的光子而发电。由于太阳光覆盖从红外到紫外很宽的光谱区域,若采用SiGaAs等带隙较窄的半导体,则大于带隙的光子能量将转换成热而浪费;若用ZnOZnSe等宽带隙半导体,则只有太阳光中的小部分可被吸收发电,浪费更严重。科学家们通常把多种不同带隙的半导体p-n结叠放在一起,以吸收大部分太阳光。但其制备难度大,造价高,难于推广应用。该课题组首先采用ZnSeZnO宽带隙半导体纳米线吸收太阳中的短波长光能,通过两材料间原子一一对应的精湛生长,形成台阶状的II型能带取代传统p-n结分开电子和空穴的作用;同时,在界面处形成窄至可吸收红外光的带隙,达到ZnOZnSe及其界面三个区域分别吸收不同波段太阳光的效果。然而,界面区域的厚度仍然较薄,制约了对长波长太阳光的吸收。针对这难题,课题组的吴志明副教授和曹艺严实验员等研究人员经多年摸索,最近控制生长出20 nm超细ZnO纳米线,并利用量子同轴线的ZnSe外壳层失配应力成功地将ZnO芯大幅度调制成为赝晶,有效地扩展界面区域。首次将宽禁带半导体光吸收范围突破至0.9eV以下的短波红外区域,实现了对94%太阳光谱的吸收,位列国际同类器件最高水平。这些研究突破,拓展了宽带隙半导体的应用范围,为宽带隙半导体在太阳能电池中的应用提供了新的研究思路。

(详见http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ta/c4ta02971b)

 

3GaN/AlN量子点材料及其紫外LED

光是生命赖于生存的条件,人类的生活方式与光源息息相关,开发新的光源成为人们拓展生存空间的重要手段。近年来,高亮度蓝光LED的开发成功,使平板电脑、手机等信息和通信设备发生了巨大的变化,并正逐渐改变人们的生活习惯。人们也正期待高亮度紫外乃至深紫外光源的开发,以拓宽人类的生活空间。目前,适用于开发紫外光源的半导体为AlGaN。其内部的极化场很强,并随Al组分的增加而增大。直接导致其发光区域中量子态上的载流子空间分离,电子和空穴复合发光几率变小,效率降低。因此,如何减小极化场强度、提高发光效率成为人们广泛关注的热点问题。该课题组李金钗博士和杨伟煌博士生经多年研究,攻克应力调控的难关,成功制备了量子点高度仅为1 nm的高密度六棱台状GaN/AlN量子点,突破了高Al组分AlGaN材料中强极化场的制约,将紫外发光内量子效率提高到62%。并将量子点作为紫外发光器件的有源层,成功实现了波长短至308 nm量子点紫外电致发光,提高了器件工作波长的温度稳定性,即使把芯片温度升高到293 oC,其电致发光峰位仅红移了0.56 nm该研究成果为未来高效率紫外乃至深紫外光源的开发奠定了基础。

详见http://www.nature.com/srep/2014/140605/srep05166/full/srep05166.html