导读


最近,美国威斯康辛大学麦迪逊分校和纽约州立大学布法罗分校的工程师团队开发出一种结合独特的制造方法和光陷阱结构的纳米级光电探测器,不仅更薄,而且性能也更好。


关键字

光电半导体材料


背景


当代的电子产品发展呈现出一种重要的趋势:性能更强,体积更小。为了减少电子产品的体积,制造商们会更多考虑选用更加轻薄的材料。例如,笔者曾经在《新型石墨烯复合材料:未来电子设备将更便宜、耐用、轻便!》和《新型柔性微处理器:由超薄二维材料二硫化钼制成!》两篇文章都中介绍过相关的新材料。


光电器件,例如摄像头传感器或者太阳能电池(采集光线然后转化为电能),也在追求着“更小更好”的目标。例如,科研人员在考虑如何减少太阳能电池板的尺寸和重量,如何在低光条件下拍摄一张高质量照片,甚至是如何更快速地传输数据。


然而光电器件的发展存在着两个主要挑战:第一,减少传统使用的“非晶态”的薄膜材料的厚度,会降低材料的质量;第二,当超薄材料变得更薄的时候,它们几乎变得透明,实际上会丧失一些聚集和吸收光线的能力。


创新


最近,来自美国威斯康辛大学麦迪逊分校和纽约州立大学布法罗分校的工程师团队战胜了这两个挑战,他们开发出一种结合独特的制造方法和光陷阱结构的纳米级光电探测器

威斯康辛大学麦迪逊分校电气和计算机工程系研究生 Zhenyang
Xia 手里拿着含有光电探测器样本的小盘子。样本颜色取决于吸收光线的波长。

(图片来源:Stephanie Precourt/威斯康辛大学麦迪逊分校工程学院)


主要研究人员有威斯康辛大学麦迪逊分校电气工程教授 Zhenqiang
(Jack) Ma 和 Zongfu Yu,以及纽约州立大学布法罗分校的 Qiaoqiang Gan,他们将该器件描述为“纳米腔基底上的单晶锗纳米薄膜光电探测器”,该论文于7月7日发表于《科学进展》杂志。
Ma 说:


“想法基本上就是,你想要用非常薄的材料,制造出非常厚的材料才能实现的同样功能的器件。”


技术


这种器件结构是这样的,单晶纳米腔像三明治一般,夹在单晶锗顶层和银反射层之间。Ma 说:


“由于纳米腔体的缘故,光子被“再利用”,所以光线吸收量显著增加,即使在非常薄层的材料中。”

(图片来源:Zhenyang Xia/威斯康辛大学麦迪逊分校工程学院


纳米腔体由微小的、相互连接的分子有序排列组成,反射或者传播光线。Gan
已经展示了这种纳米腔结构,它增加了薄的半导体材料例如吸收的光线量。


然而,大部分的薄膜都是以锗非晶态形式开始,意味着这种材料的原子排列缺少有规律的、重复的晶体顺序。这也意味着它的质量无法满足更加小型化的光电器件应用的需求。


然而,这正是Ma发挥其专长的好机会。作为全球半导体纳米薄膜器件方面的专家,Ma 使用了革命性的薄膜转移技术,轻易地将单晶半导体材料集成到基底上。


最终制成的吸收光线的光电探测器不仅非常薄,而且非常高效,成为了未来光电器件的一个重要组成部分。


价值

(图片来源:Stephanie Precourt/威斯康辛大学麦迪逊分校工程学院

负责对于探测器进行计算机分析的 Yu 称:


“它是一项开创性的技术,让你能够看到品种繁多的光电器件。这些光电器件能占用更少的空间,具有更小的尺寸。”


研究人员采用锗半导体展示了他们的研究成果,也将这种方法应用于其他半导体。Gan 说:


“重要地是,通过调谐纳米腔,我们可以控制实际吸收的波长。这将为开发许多不同的光电器件开辟道路。”

参考资料


【1】http://news.wisc.edu/powerful-new-photodetector-can-enable-optoelectronics-advances/

【2】http://advances.sciencemag.org/content/3/7/e1602783



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新型光电探测器:更薄且性能更好
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