基于缺陷与界面态控制的二维材料光电特性与器件

The rapid development of information processing and imaging technology has put forward new and higher requirements for optoelectronic devices in the following aspects: miniaturization, integration, and a variety of key performance (detectivity, response wavelength, response speed, working conditions etc.). This project will focus on the key problem to be solved in the field of novel two-dimensional materials and devices: how to obtain two-dimensional optoelectronic materials with high sensitivity and fast response, and realize functional devices. The project will aim at the two key factors affecting the performance of the device: the defects and interface states. The main research contents include: the effect of defect states on two-dimensional material and insulator / semiconductor interface states on the photo induced carriers; the modulation of the concentration and type of defects and interface states; how photo excited carriers bound at the defect and interface states would affect the carrier transport properties of two-dimensional material and introduce high gain of photocurrent; the design and realization of high-performance optoelectronic devices based on two-dimensional materials, such as visible / near-infrared position sensitive detector. The results of this project provide new ideas and methods for the development of high performance optoelectronic materials and silicon compatible optoelectronic devices, and therefore has great scientific significance.

高速发展的信息处理和成像技术对于光电转换/探测器件的微型化、可集成度以及各种关键性能（如响应度、探测波段、响应速度、工作条件等）提出了新的、更高的要求。本项目将围绕新型二维材料与器件领域中亟待解决的问题：如何获得高灵敏、且能快速响应的二维光电转换材料并实现相关功能性器件，针对缺陷和界面态这两个影响器件性能的关键因素开展性能调控和器件开发。项目主要研究二维材料中缺陷态以及绝缘层/半导体界面态对光致载流子的影响和调控规律，并通过相关手段控制缺陷和界面态的浓度和类型，分析缺陷及界面处束缚的光致载流子对二维材料电输运性能的影响以及对光电流的增益效果，最终设计并实现基于二维材料的高性能光电器件，如可见/近红外位置灵敏光探测器。项目研究成果将为开发新型高性能光电转换材料以及构建硅基工艺相兼容的光电器件提供新的思路和方法，具有重要的科学意义和应用价值。

二维材料由于具有高载流子迁移率，强光与物质相互作用，平面易低温集成等优势，在光电转换领域有重要的应用前景。本项目围绕高灵敏、快速响应的二维光电器件这一目标开展研究，着力解决缺陷与表界面态调控这一光电转换过程中的关键问题，主要研究内容包括：1）缺陷与表界面态对光电性能的影响机制分析。通过荧光、超快光谱等手段研究了缺陷与表界面态对二维材料中载流子的产生、复合及输运等过程的影响。发现缺陷的变化将直接影响材料中的载流子输运，当材料中缺陷密度降低时，载流子的迁移率将增加并有利于传输层对光生载流子的提取。并发现二维Bi2O2Se中载流子迁移率在高温下由极化光学声子散射主导，在低温下由压电散射主导，且散射机制的调控可以实现电导率和塞贝克系数的去耦合。2）基于缺陷与表界面态调控的高性能光电探测器。利用缺陷工程控制二维光电导器件中载流子的束缚态，相对于原始样品中深能级束缚态所主导的光电响应，改性后器件的光响应由浅能级束缚态主导，响应速度提高了3-4个量级，光探测率达到了1.89x10^13 Jones。并建立了等离激元热电子超快转移模型，实现了低维半导体红外表面等离激元材料与石墨烯间快至150 fs内的界面电荷转移，能有效阻止异质结构界面载流子驰豫、复合以及深能级缺陷态束缚等过程的发生。3）基于缺陷和界面态调控的高性能石墨烯位置灵敏探测器及其应用。提出了新型界面态束缚与光增益机制，实现了具有光强、位置和轨迹探测等功能的石墨烯多参量探测器。该位置灵敏探测器比市面上硅基器件的极限探测能力提升了三个数量级（从10 uW降低至17 nW），并且与现有的硅基CMOS工艺完全兼容。同时，也验证了该多参量探测器在红外、非接触式光学传感中的应用，实现了微小角度和高振动频率的高精度测量，人体动作和姿态的实时捕捉，以及对高速红外运动目标（100 km/h）的轨迹跟踪。项目研究成果为开发新型二维高性能光电转换材料以及构建硅基工艺相兼容的光电器件提供了新的思路和方法。