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项目名称:强光场二维半导体光电探测器件

申报单位:信息与电子工程学院   负责人:林时胜

项目简介

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1. 随着物联网、人工智能、大数据行业的迅速发展,图像传感芯片朝着柔性化小型化方向发展。图像传感芯片的关键部分是光电探测单元。如何在微纳甚至原子尺度上使得入射光场与物质进行相互作用,从而提高光电探测单元的性能,是目前图像传感芯片的发展迫切需要解决的问题。二维半导体是目前世界上最薄的半导体,其可以在原子尺度上集成到图像传感芯片上。然而,单层二维半导体与入射电磁波/光场的作用还较弱,这大大限制了其在光电探测领域的实际应用。强电磁-二维物质相互作用对实现高性能光电探测器至关重要,因此有必要开发出一种强光场高性能二维半导体光电探测器件的方法。林时胜团队提出融合二维二硫化钼的原子层厚度特点和金属间隙等离子体增强技术,获得二硫化钼与入射电磁场的强相互作用,并从实验上实现了响应度高达287.5AW-1的可见光(532nm)光电探测器件,沿着此方向该探测器件的探测性能还能得到进一步优化提升。
 
2. 林时胜博士现为浙江大学信息电子学院、微电子学院副教授、博士生导师,主要工作领域为新型高效光电与发电器件,在国际期刊发表SCI学术论文70余篇,总体被引用2000多次,授权发明专利10余项,现为Science Bulletin副主编、Scientific Reports,Current Applied Physics编委。
 
3. 创新特色:提出一种强光场二维半导体光电器件,将入射光场压缩至数个原子层厚度内;利用间隙金属增强二维半导体电磁-物质之间相互作用,将二维半导体的光发射性能增强超过110倍,且基于此种结构的光电探测器实现8.8倍性能增强。本研究指出了在原子尺度内进行电磁-物质相互作用增强的研究方向,未来有望实现在芯片上进行集成。
 
4. 标志性成果:课题组在二维半导体光电器件方向取得了系列成果,成果刊登于国际著名期刊Advanced Materials, (Adv. Mater. 2018, 30(27): 1706527)
 
5. 突破战略意义:项目实现一种普遍适用于二维半导体的电磁-物质强相互作用新结构,突破了二维半导体发光性能难以提升的缺点,为高性能二维半导体的光电器件开发指明了新的方法,为未来二维半导体的光电集成芯片开发打下了坚实的基础,为信息社会发展提供重要的硬件保障
 
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科学解读

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当我们站在欧洲古老的教堂里仰望,精美的穹顶壁画时而显现迷人的光晕。古代的艺术家们并不知道,他们沾着金粉的画笔创造的是一种表面等离子体共振效应。什么是等离子共振?,由于金属表面存在大量自由电子,自由电子在入射光场的作用下发生集体振荡。在特定条件下,入射光与金属薄膜的振荡电子发生共振,对入射光的吸收显着增强,这种现象被称为“表面等离子共振 (SPR)”。

二硫化钼是一种二维半导体材料,是类石墨烯二维材料,具有原子级别厚度,科学家把它视为柔性光电器件的优良素材,是世界上最小的晶体管所用的半导体。但它的超薄特性也限制了其光电器件性能,其吸光能力就有限,对于可见光波的吸光率在8%以内。

在仅相隔几个原子层厚度的金银纳米颗粒之间,林时胜团队创造性地把二硫化钼播薄膜插入其中,当金银纳米颗粒发生表面等离子体共振,就形成一个独特的约束场,将光场“压缩”在少数几个原子层的范围内。这种效应,明显提升了二硫化钼的吸光性能和光电转换性能。发光光谱对比显示,单原子层二硫化钼半导体的发光效率得到两个数量级的提升,刷新了该领域的增强记录。林时胜团队还以此开发出光电传感器,获得了响应度高达287.5AW-1的可见光光电探测器。

项目的关键是利用了金属之间形成的原子厚度级间隙结构可将电磁波的能量高度“压缩”,加强了而为半导体与电磁场的相互作用,增强二维半导体对入射光的光电转换能力,相同的思路还可以用于其他材料的二维半导体设计中。光电转化能力决定着光电器件的灵敏程度,该成果可以用于设计高性能柔性二维半导体光电传感器,未来可以广泛用于柔性可穿戴设备及光电子集成芯片等。

 

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项目团队

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     林时胜博士现为浙江大学信息电子学院、微电子学院副教授、博士生导师,主要工作领域为新型高效光电与发电器件,在国际期刊发表SCI学术论文70余篇,总体被引用2000多次,授权发明专利10余项,现为Science Bulletin副主编、Scientific Reports,Current Applied Physics编委。
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