蘇州納米所陸書龍團(tuán)隊(duì)在氮化鎵基納米柱材料和探測器領(lǐng)域取得新進(jìn)展
氮化鎵(Gallium nitride,GaN)作為寬禁帶半導(dǎo)體,是第三代半導(dǎo)體的代表性材料,其為直接帶隙材料,具有發(fā)光效率高、熱導(dǎo)率大、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),在照明、顯示、探測等多個(gè)領(lǐng)域有著很高的應(yīng)用價(jià)值。低維(如納米柱、量子點(diǎn))GaN基材料因其獨(dú)特的物理特性,受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
中科院蘇州納米所陸書龍團(tuán)隊(duì)利用分子束外延(Molecular-beam epitaxy,MBE)技術(shù)開展了GaN基納米柱材料外延生長的研究,基于納米柱結(jié)構(gòu)的GaN基探測器有望獲得良好的柔韌性,可以拓展GaN基材料在光電探測器領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。
在前期柔性GaN基納米柱薄膜快速剝離技術(shù)和相關(guān)探測器件的基礎(chǔ)上(ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3: 9943;ACS Photonics 2021, 8: 3282;Materials Advances, 2021, 2: 1006),最近該團(tuán)隊(duì)利用轉(zhuǎn)移的(Al,Ga)N納米柱薄膜制備了一種柔性自驅(qū)動(dòng)紫外探測器,該器件具有很高的紫外/可見光抑制比(977)、比探測率(2.51×1011 Jones)和透明度(Max: 81%)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該自驅(qū)動(dòng)探測器具有良好的柔韌性(圖1),500次的大幅彎折之后,器件的光電流的強(qiáng)度仍然保持穩(wěn)定。此外,GaN基材料穩(wěn)定的物化性質(zhì)和器件鈍化工藝,使探測器在長時(shí)間的光照測試(6000s)、耐久度測試(30天)后依然能具有良好的穩(wěn)定性。
圖1 基于(Al,Ga)N納米柱的自驅(qū)動(dòng)探測器的柔性和穩(wěn)定性測試
上述研究成果以Flexible self-powered photoelectrochemical photodetector with ultrahigh detectivity, ultraviolet/visible reject ratio, stability, and a quasi-invisible functionality based on lift-off vertical (Al,Ga)N nanowires為題發(fā)表于Advanced Materials Interfaces,共同第一作者是博士生蔣敏和張建亞,該論文被期刊選為背封面(Back Cover,圖2)。
圖2 基于中國水墨畫所繪制的背封面(Back Cover,電流包圍的魚和蓮花莖分別代表氧化還原反應(yīng)和納米柱,游動(dòng)的蝌蚪代表電子-空穴對)
此外,團(tuán)隊(duì)在自驅(qū)動(dòng)光電探測器中成功引入了GaN/銫鉛溴(CsPbBr3)鈣鈦礦核殼異質(zhì)結(jié)納米柱結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)CsPbBr3量子點(diǎn)能夠大幅提升光電流(約160%),從而提升響應(yīng)度(1.08 vs 0.41 mA/W)。CsPbBr3量子點(diǎn)能夠產(chǎn)生內(nèi)建電場和調(diào)控能帶,GaN與量子點(diǎn)之間的光反射也有利于增加光子吸收和載流子產(chǎn)生,從而增強(qiáng)光電流。相關(guān)工作以Enhance the responsivity and response speed of self-powered ultraviolet photodetector by GaN/CsPbBr3 core-shell nanowire heterojunction and hydrogel為題發(fā)表于Nano Energy ,第一作者是博士生張建亞。
圖3 基于GaN/CsPbBr3納米柱結(jié)構(gòu)的自驅(qū)動(dòng)探測器的結(jié)構(gòu)示意圖、光電流測試曲線和能帶示意圖
上述論文的通訊作者為趙宇坤副研究員和陸書龍研究員,相關(guān)研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院從0到1原始創(chuàng)新項(xiàng)目、江蘇省重點(diǎn)研究項(xiàng)目以及所自有資金等項(xiàng)目的資助,同時(shí)也得到了中科院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站(Nano-X),加工平臺(tái)和測試平臺(tái)的支持。
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