重磅!中科院在光電電晶體的光調控方面取得進展!

2021-02-23 中科院蘇州育成中心

近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所納米材料與納米結構研究室研究員費廣濤課題組與中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心博士張堯合作，在光電電晶體的光調控方面取得進展。研究發現，Ag/TiO2複合薄膜在外加兩束光照射後，具有類似於三極體的特性，可以實現對光電信號的增強、開關和調製，該器件被稱為全光輸入的電晶體。相關結果作為卷首圖片(Frontispiece)文章發表在《先進功能材料》（Adv. Funct. Mater. 28(40), 1870290 (2018)）上。

▲圖1. 光電流增強效應：紫外光照對器件近紅外光響應的影響。

銀/二氧化鈦(Ag/TiO2)多孔膜由於其表面等離共振及熱電子的快速轉移特性，被認為是熱電子光探測器的理想材料，而增強其光響應度一直是科研人員研究的目標。課題組助理研究員高旭東等在研究Ag/TiO2多孔膜對近紅外光的響應性能時偶然發現，在近紅外光照射的基礎上再增加一束紫外光照射，該複合薄膜對近紅外光探測的響應度會有近100倍的增加(圖1)。

▲圖2. (a) 三極體的輸出特性曲線，(b) Ag/TiO2複合薄膜的光電輸出特性曲線。

這表明，Ag/TiO2複合薄膜在外加兩束光照射後，具有類似於三極體的特性。眾所周知，三極體是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極體有三個電極，分別是基極、發射極和集電極。通常情況下，在三極體中，電信號從基極輸入，從集電極輸出，它的輸出特性曲線如圖2a所示。研究發現，當近紅外光作為源極信號光輸入，複合薄膜將這種近紅外光轉換成電信號輸出，在此基礎上，再外加紫外光照射到複合薄膜上，可以調控輸出的電信號，輸出特性曲線如圖2b。比較圖2b與圖2a可見，Ag/TiO2複合薄膜的輸出特性曲線與三極體的輸出特性曲線非常相似，因此，將這種Ag/TiO2複合薄膜稱作全光輸入的電晶體。值得一提的是，這種光電器件只需要兩束光輸入，不需要外加電驅動。

▲圖3. Ag/TiO2複合薄膜的光電響應過程能帶圖：(a) 近紅外光(PS)激發的熱電子越過高肖特基勢壘，(b)近紅外光(PS)激發的熱電子越過被紫外光(PG)降低後的肖特基勢壘。

分析表明，這種光控光電流增強特性源於器件的Ag與TiO2之間的肖特基勢壘。多孔TiO2在一般情況下，表面有大量的化學吸附氧，表面能帶向上彎曲，在與Ag接觸後，便形成高勢壘肖特基結(圖3a)。近紅外光照射到Ag薄膜上時，會激發表面等離激元，進而產生熱電子。部分熱電子會越過Ag與TiO2之間的肖特基勢壘，進入TiO2一側，進而產生光電流。由於肖特基勢壘較高，越過勢壘的熱電子數量較少。而當紫外光照射到Ag/TiO2複合薄膜上時，TiO2內部產生的光生空穴可以從表面吸附的氧上奪取電子(去氧吸附)，導致表面能帶下降，進而使肖特基勢壘下降。也就是說，通過紫外光照射可實現肖特基勢壘高度的調節。隨著肖特基勢壘的降低，越過勢壘進入TiO2一側的熱電子會大幅度增加，導致光電流有數量級的增加(圖3b)。由此，通過控制紫外光的光強來調節肖特基勢壘高度，可實現對輸出熱電子光電流的可控調節，即實現光電流輸出的有效放大。

▲圖4. Ag/TiO2全光輸入電晶體工作機理的應用。

▲圖5. Ag/TiO2全光輸入電晶體工作機理的能帶示意圖(Frontispiece image)。

類比於三極體對電信號的放大、開關和調製等功能，這種Ag/TiO2複合薄膜全光輸入的電晶體可用於對光電信號的增強、開關和調製(圖4)。該項工作為未來光電器件的研製提供了重要參考。

該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金的資助。

來源：合肥物質科學研究院 

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