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与硅基技术兼容的二维过渡金属硫族化合物电子器件

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科学通报 2024年第14期69卷 1906-1922页

作者：耿宇陈超陈匡磊张先坤张铮张跃北京科技大学前沿交叉科学技术研究院北京100083 后摩尔时代芯片关键新材料与器件教育部重点实验室北京100083 新能源材料与技术北京市重点实验室北京100083 北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083 新金属材料国家重点实验室北京100083 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

作为现代信息社会的物理基石,以硅基材料为核心的集成电路极大推动了人类现代文明的进程.但是,随着晶体管特征尺寸微缩逐渐接近物理极限,传统硅基材料出现了电学性能衰退、异质界面失稳等挑战,导致集成电路数据处理能力提升难、功耗急... 详细信息

作为现代信息社会的物理基石,以硅基材料为核心的集成电路极大推动了人类现代文明的进程.但是,随着晶体管特征尺寸微缩逐渐接近物理极限,传统硅基材料出现了电学性能衰退、异质界面失稳等挑战,导致集成电路数据处理能力提升难、功耗急剧增加等问题产生.超薄二维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides,TMDCs)具有表面平整无悬挂键、电输运性能优异、静电控制力强、化学性质稳定等优势,可有效解决上述问题,被认为是后摩尔时代集成电路的最具潜力候选材料之一.目前,二维TMDCs集成电路研究在多个关键领域均取得了突破性成果,但距离产业化应用仍需要克服一些挑战.本文着重介绍了二维TMDCs材料与电子器件在集成电路应用的各方面优势,系统阐明了二维TMDCs集成电路在材料控制生长、范德华界面优化以及器件设计构筑等方面的关键科学问题,提出了相应解决办法和应对措施,分析了二维TMDCs集成电路产业化进程中的综合性挑战,明确了“与硅基技术兼容”二维TMDCs集成电路发展路线的优势、可行性与突破方向.

关键词：集成电路二维过渡金属硫族化合物电子器件与硅基技术兼容

CuMn_(2)O_(4)/石墨炔S型异质结上锚定氧化助催化剂促进曙红敏化光催化析氢

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Chinese Journal of Catalysis 2024年第1期56卷 88-103页

作者：杨成李鑫李梅梁桂杰靳治良北方民族大学化学与化学工程学院宁夏太阳能化学转化技术重点实验室国家民委化学工程与技术重点实验室宁夏银川750021 华南农业大学能源植物资源与利用农业农村部重点实验室生物质工程研究所广东广州510642 湖北文理学院低维光电材料与器件湖北省重点实验室湖北襄阳441053

半导体光催化剂有效的电荷分离及利用是光催化制氢的关键.单一半导体催化剂由于光生电子-空穴对的快速复合导致低的光催化活性,构建异质结是提高光生电荷分离以及电子转移效率的有效方法.此外,助催化剂的引入同样能够促进光催化剂表面... 详细信息

半导体光催化剂有效的电荷分离及利用是光催化制氢的关键.单一半导体催化剂由于光生电子-空穴对的快速复合导致低的光催化活性,构建异质结是提高光生电荷分离以及电子转移效率的有效方法.此外,助催化剂的引入同样能够促进光催化剂表面电子和空穴的分离,并且其协同效应可促使更多载流子流向相应的助催化剂位点而增强光催化性能.因此,同时构建异质结及合适的氧化位点成为解决光生电子-空穴对有效分离及利用的重要研究方向.本文报道了一种同时构建S型异质结和氧化位点促进CuMn_(2)O_(4)光生电子-空穴对有效分离及利用的可行性策略.虽然在制备CuMn_(2)O_(4)的过程中通过调控制备温度能够自身诱导生成具有氧化能力的Mn_(2)O_(3)来作为氧化位点,但是只存在氧化位点时不能很好地克服光生电子-空穴对的重组现象而导致光催化活性较低.基于此,本文巧妙地利用CuMn_(2)O_(4)自身诱导生成氧化位点的特性并引入石墨炔还原端而构建S型异质结,在氧化位点及S型异质结同时存在的情况下增强光生电子的有效转移.此外,在自身诱导生成氧化位点和S型异质结的协同作用下,促进了复合光催化剂中的光生电子和光生空穴精确定向迁移到相应的还原位点和氧化位点.傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱证实成功制备了石墨炔.X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(TEM)等结果表明,成功制备了600-CuMn_(2)O_(4)/GDY-40%(6-CG-40%)样品(600°C焙烧,石墨炔质量百分含量为40%).经过组分优化的复合光催化剂6-CG-40%的催化性能达到1586.54μmol g^(‒1)h^(‒1),是CuMn_(2)O_(4)(106.73μmol g^(‒1)h^(‒1))和石墨炔(70.57μmol g^(‒1)h^(‒1))产氢活性的13.86倍和21.48倍高.利用UV-vis光谱、电化学性能和接触角测试等分析6-CG-40%复合光催化剂产氢性能提升的原因,并通过密度泛函理论计算和相关实验表征验证Mn_(2)O_(3)作为氧化助催化剂的合理性.结果表明,原位诱导生成的Mn_(2)O_(3)氧化助催化剂和引入石墨炔构建的S型异质结有效抑制了光生电子-空穴对的复合,从而优化了光生载流子转移效率,最终增强了曙红敏化6-CG-40%光催化析氢性能.综上所述,在控制诱导因子原位生成Mn_(2)O_(4)氧化助催化剂的基础上引入石墨炔还原端构建了S型异质结,在助催化剂与异质结两者的协同作用下极大程度地改善了光生电子-空穴对的严重复合现象,这项工作为解决光催化制氢领域中制约光催化剂制氢能力的关键问题提供了可行性思路.

关键词：石墨炔氧化助催化剂电荷分离 S型异质结光催化制氢

透明硫化镍/石墨烯复合对电极用于高效染料敏化太阳能电池

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科学通报 2024年第12期69卷 1641-1651页

作者：曹大鹏钟旭阳张杰于晓慧密保秀南京邮电大学材料科学与工程学院有机电子与信息显示国家重点实验室南京210023

对电极(counter electrode,CE)作为染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell,DSSC)的重要组成部分之一,其作用是收集外电路电子和催化还原电解质.硫化镍具有低成本和优异的电催化活性等优点,是Pt的理想替代材料.本文制备的NiS电... 详细信息

对电极(counter electrode,CE)作为染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell,DSSC)的重要组成部分之一,其作用是收集外电路电子和催化还原电解质.硫化镍具有低成本和优异的电催化活性等优点,是Pt的理想替代材料.本文制备的NiS电极的透光率可以达到80%以上(600 nm处),从正面(光阳极)照射时,制备的DSSC器件光电转化效率达到7.54%,与Pt对电极的(7.48%)相当.从反面(对电极)照射时,光电转化效率达到3.96%,远高于Pt对电极(0.58%).在硫化镍电极中掺入石墨烯,可以进一步提升DSSC器件的光电转化效率,正面照射达到7.84%,反面照射达到4.59%,是正面照射效率的58.5%.电化学阻抗、循环伏安测试表明NiS对电极具有很小的串联电阻和高的电催化活性,这是其性能优于Pt的主要原因;而高的反面照射光电转化效率主要得益于NiS电极的高透光率.本文提供了一种简单、快捷、低成本的方法来制备透明、高效硫化镍对电极.

关键词：染料敏化太阳能电池对电极硫化镍透明石墨烯

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高温退火对AlN外延材料晶体质量的影响

固体电子学研究与进展 2024年第2期44卷 167-172页

作者：罗伟科王翼李亮李传皓张东国杨乾坤彭大青李忠辉南京电子器件研究所南京210016 固态微波器件与电路全国重点实验室南京210016

采用高温退火技术改善金属有机物化学气相沉积AlN薄膜材料晶体质量。研究发现较低的生长温度下,Al原子迁移能力弱,外延呈岛状生长模式,形成大量的柱状晶粒,晶粒倾斜、扭曲,晶格原子排列混乱,存在大量的位错和层错缺陷;高温退火时晶格发... 详细信息

采用高温退火技术改善金属有机物化学气相沉积AlN薄膜材料晶体质量。研究发现较低的生长温度下,Al原子迁移能力弱,外延呈岛状生长模式,形成大量的柱状晶粒,晶粒倾斜、扭曲,晶格原子排列混乱,存在大量的位错和层错缺陷;高温退火时晶格发生重构,晶粒合并,位错和层错缺陷减少,晶格排列整齐,晶体质量得到提升。通过优化生长温度和退火温度,获得了高质量的200 nm厚AlN模板,其(002)和(102)面的X射线双晶衍射摇摆曲线半高宽分别为107 arcsec和257 arcsec,位错密度比退火前降低了2~3个数量级。

关键词：高温退火氮化铝晶体质量金属有机物化学气相沉积

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高速光电探测器的研究进展

光学学报 2024年

作者：刘志鹏刘智成步文中国科学院半导体研究所光电子材料与器件重点实验室中国科学院大学材料科学与光电技术学院

随着通信数据传输量呈指数级增长，光互连技术取代传统的电互连技术，已成为中长距离低损耗高速传输的主流技术。光电探测器作为光接收端的核心器件，对其高速性能的要求越来越高。其中，波导耦合的光电探测器尺寸小带宽高，且易与其它... 详细信息

随着通信数据传输量呈指数级增长，光互连技术取代传统的电互连技术，已成为中长距离低损耗高速传输的主流技术。光电探测器作为光接收端的核心器件，对其高速性能的要求越来越高。其中，波导耦合的光电探测器尺寸小带宽高，且易与其它光电子器件进行片上集成，是高速光电探测的研究重点。传统高性能的InGaAs光电探测器和发展迅速的Ge/Si光电探测器各具特色，是最具代表性的近红外光通信波段光电探测器。本文主要介绍了这两类波导耦合光电探测器的研究进展，包括典型的器件结构和性能，以及提升带宽等性能的主要途径。

关键词：光电探测器波导耦合铟镓砷硅基锗

基于SiN平板波导光栅的128通道光学相控阵

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激光技术 2024年

作者：马鹏飞于磊王政王鹏飞张冶金潘教青中国科学院半导体研究所光电子材料与器件重点实验室中国科学院大学材料科学与光电技术学院

为了避免全硅光学相控阵的输出光功率饱和现象以及氮化硅的低移相效率，采用了硅与氮化硅相结合的设计思路，在实现高功率输入的同时保证了调相效率。此外，硅基集成光学相控阵为了避免通道间的相互耦合所引起的相位噪声，波导间距大于... 详细信息

为了避免全硅光学相控阵的输出光功率饱和现象以及氮化硅的低移相效率，采用了硅与氮化硅相结合的设计思路，在实现高功率输入的同时保证了调相效率。此外，硅基集成光学相控阵为了避免通道间的相互耦合所引起的相位噪声，波导间距大于半波长，却导致了栅瓣的存在，进而使得扫描范围受限。为了解决这一问题，采用了硅波导作为天线前的输入波导，以减小阵元间距。通过上述设计，芯片最终实现了41°×7.4°的扫描范围以及10.7dB的芯片损耗。该研究对于光学相控阵芯片的进一步改进是有帮助的。

关键词：激光技术集成光学衍射光栅

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高性能锑化物中红外半导体激光器研究进展

激光技术 2024年

作者：曹钧天杨成奥陈益航余红光石建美王天放闻皓冉王致远耿峥琦张宇赵有文吴东海徐应强倪海桥牛智川中国科学院半导体研究所光电子材料与器件重点实验室中国科学院大学材料科学与光电技术学院

半导体材料体系经历了三次重要迭代，在微电子、通信、人工智能、碳中和等重要领域得到了广泛应用。随着高新技术的快速发展，锑化物半导体作为最具发展前景的第四代半导体材料之一，在开发下一代高性能、小体积、低功耗、低成本的红外... 详细信息

半导体材料体系经历了三次重要迭代，在微电子、通信、人工智能、碳中和等重要领域得到了广泛应用。随着高新技术的快速发展，锑化物半导体作为最具发展前景的第四代半导体材料之一，在开发下一代高性能、小体积、低功耗、低成本的红外光电器件领域具有独特的优势和广阔的应用前景。综述了锑化物半导体激光器的的发展过程和国内外的研究现状，分析了器件结构设计、材料外延、模式选择、波长扩展等关键问题，采用分子束外延技术生长了高性能锑化物量子阱激光器，阐述了实现大功率、单模、高光束质量的锑化物激光器的设计方案和关键工艺技术。最后对兼具低成本、高成品率、大功率等优异特性的单模锑化物激光器的研究前景进行了展望。

关键词：激光技术锑化物中红外量子阱激光器

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窄线宽正方形-法布里珀罗耦合腔激光器

光学学报 2024年

作者：绳梦伟王玮肖金龙杨跃德黄永箴中国科学院半导体研究所光电子材料与器件重点实验室中国科学院大学材料科学与光电工程中心

窄线宽半导体激光器在相干光通信领域具有重要的应用，利用较小光限制因子的Al Ga InAs/InP外延片，我们研制了窄线宽的正方形-法布里珀罗（FP）耦合腔激光器。利用有限元方法仿真了正方形-FP耦合腔的模式特性，采用投影式光刻工艺制备... 详细信息

窄线宽半导体激光器在相干光通信领域具有重要的应用，利用较小光限制因子的Al Ga InAs/InP外延片，我们研制了窄线宽的正方形-法布里珀罗（FP）耦合腔激光器。利用有限元方法仿真了正方形-FP耦合腔的模式特性，采用投影式光刻工艺制备了正方形-FP耦合腔激光器，激射主模处于1550.5 nm，单模光纤耦合输出功率约为13 mW，边模抑制比约47 dB，利用延时自零差相干接收方法测量频率噪声，由此得到洛伦兹线宽为233 kHz。结合实验和仿真结果，认为激射模式是由正方形微腔的高阶横模和FP模式耦合形成。

关键词：窄线宽正方形微腔耦合腔半导体激光器

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芳纶纳米纤维增强的碳纳米管复合纤维

高分子学报 2024年

作者：孙虹纪蒋鸿宇刘沛雨杨哲张琨陈培宁彭慧胜聚合物分子工程国家重点实验室复旦大学高分子科学系纤维材料与器件研究院先进材料实验室

利用浮动催化化学气相沉积法可以将性能优异的碳纳米管(CNT)组装成碳纳米管纤维(CNTF)，但如何有效增强碳纳米管纤维内部碳纳米管及其管束之间的相互作用力，以大幅提升其力学和电学性能，是该领域的一个重要难题.本文提出通过溶剂质子... 详细信息

利用浮动催化化学气相沉积法可以将性能优异的碳纳米管(CNT)组装成碳纳米管纤维(CNTF)，但如何有效增强碳纳米管纤维内部碳纳米管及其管束之间的相互作用力，以大幅提升其力学和电学性能，是该领域的一个重要难题.本文提出通过溶剂质子化策略，将芳纶纳米纤维引入碳纳米管纤维，制备得到了高性能的碳纳米管复合纤维材料，其拉伸强度达到1.23 GPa，杨氏模量达到26.97 GPa，相较于初始的碳纳米管纤维分别提升了92.1%和133.5%.该复合纤维的比强度和比模量分别为28.67和628.67 cN/dtex，与芳纶纤维等高性能纤维相当.此外，该复合纤维兼具良好的柔性与电学性能，可以直接作为纤维电子器件的电极材料，展现出良好的应用潜力.

关键词：碳纳米管纤维芳纶纳米纤维氢键高分子复合纤维