物理院王笑教授在低维半导体光电调控研究上取得系列重要进展

低维半导体材料及器件的可控制备是实现下一代信息技术和光电芯片的重要基础。我校潘安练教授带领的纳米光子与集成器件研究团队王笑教授致力于低维半导体材料光电调控方面的研究，近期取得了系列重要进展，以第一作者或通信作者在国际顶级刊物上连续发表多篇高水平研究论文。

利用声子辅助光学跃迁实现半导体纳米结构电光开关与逻辑器件。

高性能微纳光开关和光调制器件是实现新型光电器件系统集成的关键。然而，基于传统的半导体带边电光吸收调制机制的电光开关，存在高的调制电压，较低的调制深度及有限的调制波长范围等问题。研究团队提出基于声子辅助的电场调控光学跃迁方法，一方面拓展了跃迁吸收边调制的波长范围，获得更宽的器件工作波长；另一方面通过电场调控低维半导体材料的吸收带尾态，有效共振增强了单个或多个声子的吸收效率，在低的工作电场下获得更大的调制深度。

基于此，研究团队实现了低电压，宽带，超高开关比的纳米尺度电光开关，并进一步在多纳米结构集成器件中实现非门、与非、或非等逻辑功能。这些半导体纳米结构光开关和光逻辑器件的实现为低维半导体光电器件的片上集成打下了重要基础。该研究成果以“Phonon-Assisted Electro-Optical Switches and Logic Gates Based on Semiconductor Nanostructures”为题发表在国际材料领域顶级期刊Adv. Mater. 2019, 31, 1901263（影响因子25.806）上。

王笑教授等在低维金属卤化物钙钛矿（MHP）材料与器件方面也取得多项成果，并受邀在《Advanced Materials》发表题为“Properties of Excitons and Photogenerated Charge Carriers in Metal Halide Perovskites”的综述论文。MHP材料具有优异的光伏性能以及在光电应用的巨大潜力，最近引起了科学界的极大关注。尽管MHP器件应用取得了快速进展，但需要对器件性能背后的光物理特性有充分的理解。本综文详细探讨了MHP中与器件性能相关的激子和光生载流子的性质，讨论了MHP的独特介电常数特性和晶体-液体二象性；描述了MHP中激子结合能、激子动力学、激子-光子、激子-声子耦合机理和相关应用；讨论了MHP中光生载流子的性质，例如载流子扩散长度，迁移率和复合速率等。

在二维范德华垂直异质结可控构筑，异质结界面有效调控，载流子特性研究，器件性能提升等方面也取得多项进展。研究团队通过采用改进的温度选择性物理气相沉积方法，成功实现了不同堆垛方式（2H、3R相）过渡金属硫族化合物（TMDs）的可控制备，并进一步通过界面能带调控设计，实现了能带可调的原子层TMDs与碘化铅（PbI2）的垂直双原子层半导体异质结，并实现能带排列方式从一型到二型的转化，该成果发表在Adv. Sci. 2019, 6, 1802204（IF：15.804）上。

由于其超薄的尺寸，载流子在异质结垂直方向传输特性的研究一直是重大难题。王笑等近期还提出通过构建一型垂直异质结，利用窄带隙半导体作为载流子的获取层，通过调节异质结厚度，结合时间分辨光谱，研究宽带隙二维材料中载流子层间传输特性。以PbI2/WS2异质结为例，团队通过此方法实现了PbI2中光生载流子在垂直方向的调控与扩散传输特性研究。该成果发表在Nano Lett. 2019, 7217-7225（IF：12.279）上。

在PbI2/TMDs异质结研究基础上，研究团体进一步通过气相转化方法，实现超薄钙钛矿和TMDs的垂直半导体异质结材料与器件，阐明了器件具有层数依赖的光学、电学特性，获得了具有超快响应时间和超高响应度的光探测器（与文献相比获得四个量级的提升），该成果发表在ACS Nano 2019, 13, 7996-8003（IF：13.903）上。

上述研究得到国家自然科学基金，湖南省科技计划及湖湘高层次人才聚集工程等相关项目的支持。

来源：物理院

通讯员：邓欢

责任编辑：蒋鼎邦