物理学院 School of Physics, Nanjing University

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缪峰教授课题组在二维材料异质结光电器件领域取得重要研究进展

2018年08月27日

光电导效应是一种光照变化引起材料电导变化的基本物理现象。对于半导体材料,在吸收大于带隙的入射光子能量后产生光生载流子,根据导致材料导电性的增强或减弱,光电导效应也相应分为正光电导和负光电导两种效应。这两种光电效应在低能耗、高频率响应光电器件等领域展现了重要的应用前景,也受到了广泛的研究关注。如果能够在同一器件中同时实现正负两种光电导效应,以及这两种效应之间的高效调控,将有望为发展新型光电探测器、高性能光电存储器等应用提供新的思路。

我院缪峰教授课题组近年来在二维材料及其异质结的电子器件( Nat. Commun. 6, 6991 (2015); Nat. Commun. 6, 8119 (2015); Nat. Commun. 7, 13142 (2016); Nat. Electron. 1, 130-136 (2018).)和光电器件( Nano Lett. 16, 2254 (2016); Adv. Func. Mater. 26, 1938 (2016); Science Advances, 3, e1700589 (2017).)等领域取得了一系列成果。在此基础上,课题组近日首次在基于浮栅的范德华异质结中同时观察到正光电导和负光电导效应,并且实现了两种效应之间的栅压可控转换。该项工作有望为开发基于范德华异质结的新型光电存储和光电探测器件提供技术基础。

在这项工作中,课题组首先利用二维材料可控转移技术制备了具有浮栅结构的范德华异质结(如图a所示,图中ReS2hBNMoS2分别作为沟道层,势垒层,浮栅层)。这种异质结表现出超过107的高开关比、超过104s的阻态保持时间等优异的存储性能(如图b所示),这来源于浮栅层对沟道层载流子浓度的有效调控。该工作发现光照也可以有效地控制沟道层与浮栅之间的载流子转移。从而同样实现对沟道载流子浓度的调控。通过控制载流子的转移过程,有希望实现正负光电导之间的相互转换。在实验上,通过对具有浮栅结构的异质结分别施加正负脉冲栅压,在撤去脉冲后,器件分别展示出了正光电导和负光电导效应(图c,蓝色线代表正光电导效应,红色线代表负光电导效应),两种效应之间可以通过栅压调控来实现相互转换。进一步的研究发现在不同功率的光照射下,器件可以保持在不同的电导状态。基于这种负光电导效应,该课题组提出了一种多态光存储器件模型(图d),展现了该类器件在未来低功耗多态光电存储领域的应用潜力。

a) 基于浮栅的ReS2/h-BN/MoS2范德华异质结光电晶体管器件;b) 器件的存储性能,高开关比(超过107)长保持时间(超过104s);c)栅压调控的正光电导和负光电导效应;d)基于负光电导的多态光存储器件模型,读出电流和存储态的对应关系, “0”代表无光照射时的读出电流、”1”“2””3”对应不同功率光照射10 s, 撤去光照后的读出电流。

该工作以“Negative Photoconductance in van der Waals Heterostructures-Based Floating Gate Phototransistor”为题,于近日(2018817日)发表在纳米材料和器件领域重要期刊《ACS Nano》上(DOI: 10.1021/acsnano.8b04885)。南京大学物理学院博士生王雨和前博士后刘尔富为共同第一作者,南京大学缪峰教授和梁世军副研究员为该工作的共同通讯作者。该工作得到了中科院上海技术物理所胡伟达研究员课题组的实验协助。并得到了微结构科学与技术协同创新中心的支持,以及国家杰出青年科学基金、科技部量子调控国家重大科学研究计划(青年科学家专题)项目、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金等项目的资助。

 

附:

文章链接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b04885

缪峰教授课题组主页 http://nano.nju.edu.cn/

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