基于二维异质结构的新型光电器件的研究

20241221

科学研究和技术服务业

1.现有技术情况： （1）机械剥离和干法转移。目前，该项技术相对比较成熟。组内研究生可以在短时间内完成二维材料的剥离、异质结的堆叠、退火等处理。另一方面，由于受到二维转角异质结的启发，目前我们正在研究实现特定角度的，特别是小角度的转移方法。 （2）在进行瞬态吸收光谱测量的时候，常见的时间分辨只能给出载流子寿命等参数的相关信息，于是我们基于测试系统开发了以下两种技术，这两种技术均较为成熟，具有多年应用经验，业内十分认可： a. 选择性泵浦-探测技术。对于一般的双层异质结来说，利用选择性泵浦-探测技术可以有目的性的激发一种或同时激发两种材料，再去探测其中某一材料中带电载流子的动力学过程，从而确定该种载流子的转移方向。该技术由于可以对电荷转移过程进行双向探测，即分别探测不同层中某种带电载流子的转移方向，从而避免由表面态、缺陷、杂质能级等因素所产生的对电荷转移方向所造成的误导，进而最终确定异质结的类型。需要指出的是，这是其它超快测试手段，如时间分辨光致发光谱所不具备的特点，而确定实际测量的带电载流子类型，对于之后扩散过程的测量至关重要； b. 时空分辨瞬态吸收技术。该技术在时间的尺度上，又增加了空间上的分辨能力。目前利用泵浦-探测技术来表征材料中载流子的分布情况的实验方法主要集中在时间尺度上，只有少数几个研究组具备实验载流子分布情况的空间表征能力。众所周知，载流子的空间分布情况与光电器件的工作原理具有重要的联系，我们可以通过对于目标样品中的载流子进行时空分辨，直接观察到载流子的扩散过程的空间剖面图随时间的变化过程，对结果进行分析后，可以得到载流子的扩散系数。 （3）应力调制。为了进行二维量子体系的应力调制研究，我们形成了一种有效的调控二维材料及界面的电子结构的手段我们使用金刚石对顶砧向二维材料及其异质结构施加垂直于平面的应力，进行了一系列压力实验。将一对直径为300 μm的金刚石调平对齐，预压（厚度为 25-40 μm），并在它们之间放置钻孔（直径为200 μm）的铼垫片，以创建一个样品室。在样品室中注入KBr压力转铁介质，使样品处于静水压或准静水压环境中。压力是通过缩短钻石之间的距离来实现的，而准确的压力值是通过红宝石球的R1线偏移来校准的。该技术应用时间较短，实验精度还比较有限，操作过程也相对繁琐，需要进一步的研发。 2. 科技成果所属阶段： 目前，上述技术还处于实验室阶段，由于我们从事的课题较为前沿，目前还都处于实验室阶段，不具备进一步扩大试验和生产的能力。在国际上，目前也缺乏类似的实例。

1.资金需求 （1）总投资估算：人民币1000万元 ； （2）资金用途：用于购买实验设备及现有设备的升级、实验原材料、研发投入、材料外出加工和测量、人员培训等； （3）资金来源：甲方自筹10%，寻求合作方投资90%。 2.场地需求 （1）场地面积：约200平方米，实验室面积约150平方米，办公面积约50平方米； （2）场地位置：最好位于北京市海淀或昌平区，交通便利，配套设施齐全，环境安静，外部干扰少。 （3）场地用途：主要用于实验与办公。 3.设备需求 （1）设备类型：包括实验设备与办公设备等。 所需购置的实验设备如下： A. 超高分辨瞬态吸收显微系统 a. 钛：蓝宝石飞秒激光器，型号：Mai Tai?? HP，厂家：Spectra-Physics，单价：125万； b. 光学参量振荡器，型号：InspireTM，厂家：Spectra-Physics，单价：100万； c. 平衡光电探测器，型号：2107-FS-M（可见），2117-FS-M（红外），厂家：Thorlabs，单价：1.2万，总计2.4万； d. CCD相机，型号：1501C-USB，厂家：Thorlabs，单价：5万； e. 成像光谱仪，型号：iHR550；厂家：Horiba；单价：70万； f. 锁相放大器及斩波器，型号：SR830，SR540；厂家：，总计：6.5万； g. 其它光学元件，包括但不限于反射镜、滤光片、聚焦透镜、显微透镜等，以及其安装支架；功率计、位移平台、光学平台。厂家：国内外均可（如Thorlabs、大恒光电等），总计20万； 整体合计：328.9万元。 B. 半导体低温探针台电学测试系统 a. 405 nm、532 nm、671 nm、808 nm、1064 nm单模激光器（50mW）价格5万元； b. 4200A-SCS 参数分析仪（配置4个4200-SMU，4个PA，1个CVU，1个PMU，2个RPM）总价140万元； c. 泰克MSO44 200 MHz示波器 价格7万元； d. SR570电流前置放大器 价格4万元。 e. 低温探针台 型号：PS-100 厂家：美国lake shore 单价：90万。 整体合计：246万元 C. 半导体光学性质策略系统 LabRAM Odyssey??, 共焦拉曼光谱仪，用于标准拉曼分析、光致发光(PL)、??针尖增强拉曼光谱 (TERS)??和其他联用分析方法。单价300万元。 需要购置的办公设备有：用于高性能计算的小型服务、办公电脑、打印机和其它常见耗材，约25.1万。 （2）设备投资：预计人民币900万元。 4. 人员需求 （1）科学研究人员（5-6人）：有相关专业背景和实战经验的技术人员，负责技术研发和生产指导; （2）管理人员（1人）：帮助科研人员进行日常项目管理，保证项目正常运行； （3）推广人员（1人）：负责联系外部企业单位，宣传现有技术，拓展市场。

可国（境）内外转让

由于本项目的研究工作聚焦前沿科技和物理底层逻辑，注重理论的建立和探索，因此较难实现直接的转化，但由于二维半导体是信息技术工业中最具发展潜力的底层材料，因此未来的发展前景十分光明，产业将更加蓬勃。

1. 经济效益 本项目由于其特殊性，主要的经济效益集中在知识产权方面，相应的材料制备和转移、微观粒子的动力学测量、应力的有效施加等工作内容均可以申请发明专利，具有一定的先进性。一旦实现相应的转化，就可以收回本项目的前期投入。
2. 社会效益 本项目在执行过程中，为学校和国家培养了3名硕士毕业生，另有两名在读。同时，项目中的三名博士后均晋升成为副教授。在学科建设上，本人所在学院建立了低维物理方向，本项目为其提供了重要的支撑。目前，我们，我们共发表10遍SCI论文，取得一定学术成果，受到了国内外专家的认可和引用，提升了学科的国际影响力和竞争力。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

1. 科技成果来源：本项目基于北京化工大学数理学院，依托于环境有害化学物质分析北京市重点实验室和北京化工大学校公共平台分析测试中心，同时还借助于北京交通大学“发光与光信息教育部重点实验室下的超快激光实验室等。
2. 技术原理：本工作主要基于以下三类实验技术： （1）机械剥离和干法转移。我们从合作团队或商用公司获取特定二维晶体材料，然后对其进行一些必要的预处理，再利用胶带进行机械剥离，得到界面干净的层状二维晶体，并将其转移到聚二甲基硅氧烷（PDMS）衬底上，以作备用。如需进一步提升界面质量，可在惰性气体保护下进行退火处理。对于使用机械剥离法制备的样品，一般采用干法转移构建异质结构。我们利用显微镜来进行微操作，可以把PDMS衬底上的样品按照想要的位置和旋转角度精确的转移到另一个目标样品或衬底上。当完成转移之后，样品需要在合适的条件下进行退火来提高样品界面处的质量； （2）拉曼光谱、吸收光谱和光致发光谱。上述三种都是常见的非接触式稳态光学测量方法，可以用于测定半导体材料的平面内外的振动模式、电子带隙、杂质和缺陷水平，进行重组机制解析，以及分子结构和结晶度判别； （3）时间分辨的泵浦-探测超快光谱。它是超快光学研究中最基本的测量手段之一。正如它的名字一样，泵浦-探测技术涉及到两束激光脉冲。其中一束作为泵浦光，用于激发材料中的载流子，另外一束作为探测光，用于探测被激发的载流子。通过改变泵浦光和探测光到达样品的相对时间，我们可以得到在泵浦光激发下，探测光能量上的载流子浓度随时间变化的函数。这个过程可以通过测量样品的反射率或透射率(或者同时测量两者)来实现，即样品反射率或透射率和载流子浓度具有正比例关系。依据探测光的能量，载流子吸收系数的变化可以提供探测光能量上的载流子分布密度的重要信息；
3. 关键性技术指标：载流子寿命、扩散系数、扩散长度、载流子迁移率等。
4. 应用前景：本项目的研究内容隶属于当前最具发展潜力的二维半导体材料和器件领域，并且我们是从物理本源上去理解材料本身及其界面上的微观作用关系，与一般的只关注材料和器件制备的研究组相比，所得到的结论更具备普遍的意义，特别是在二维原型器件的设计方面具有较大的优势。其中，我们所采用的应力调制结合瞬态吸收光谱的技术以及将选择性激发-探测技术应用到二维掺杂体系等相关工作，在世界上处于领先地位，所得到的重要结论受到了国际专家的认可，一些其他研究小组跟进的后续研究也证明了我们研究工作的价值。本工作通过构建多种二维异质结构，基于不同特性和原理的实现多种原型器件的设计，相关结论必将促进新型二维异质结构在光电子器件中的应用，并为其性能的提升提供了有效的指导。