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新万博体育网址微纳电子材料与荣誉资质介绍器件

日期: 2019-10-15
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  微纳电子技术做为信息技术的基石,推动了无线通信技术不断向前发展。在未来移动通信系统将采用频率更高的毫米波通信技术,这对电子系统和电子设备提出了更高的性能和功能的要求,虽然集成电路的发发展为通信电子系统带来了革命性的变化,但是随着亚纳米时代的带来,以硅基集成电路为核心的通信电子系统和电子设备的性能逐渐趋于其极限,要满足未来通信技术的需要,亟需通过材料与器件技术的创新,带来另外一场技术革命。而碳基材料及其器件技术的快速发展,则为这场革命带来了可能。

  碳是地球和宇宙含量最丰富的元素之一,是构成有机材料和生物材料的基本元素;而且,碳原子的2s和2p轨道能量差很小,容易耦合杂化产生具有特征去向的新轨道,预示碳可以具有多种同素异形结构。1985年,英国天文学家克罗托(HarryKroto)和美国Rice大学化学系的斯莫里(RichardSmalley)等在实验室条件下模拟红巨星(碳星)的状况时,检测到非常稳定的由60个碳原子构成的类似足球结构C60富勒烯球,结构优美、性质丰富而被评为1986年年度分子并在1996年诺贝尔化学奖。1991年和2004年,碳的同素异构体再增新成员,单壁碳纳米管和单层石墨烯材料相继被制备成功,尤其是后者的制备成功被授予2010年诺贝尔物理学奖。一种元素的异构体的发现先后二次且分别获得诺贝尔物理和化学奖,在元素周期表中是第一个元素,这一方面说明碳作为明星分子的重要性,同时也预示一个新的以纳米电子为特征的“碳器时代”的到来。

  碳基材料的发展也促进了碳基微纳电子器件的快速发展,其中最重要的一类器件是碳基太阳能电池。太阳能电池发展经历了三个阶段。新万博体育网址,以硅片为基础的“第一代”太阳能电池其技术发展已经成熟,但单晶硅纯度要求在99.999%,生产成本太高使得人们不惜牺牲电池转换率为代价开发薄膜太阳能电池。第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多,且易于实现大面积电池的生产,可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池,其中以多晶硅为材料的太阳电池最优。第三代太阳电池主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中,叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。太阳光光谱可以被分成连续的若干部分,用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池,并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来,让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用,波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用,这就有可能最大限度地将光能变成电能。在未来毫米波通信系统中,如果采用这种新型碳基太阳能供电装置,可减少供电网络复杂度和减小功耗,满足高密度基站布放的需求。

  20世纪90年代发展起来的纳米电子学现在已成为国际上最为活跃的研究课题之一。随着器件小型化的不断发展和集成度的不断提高,传统的硅基半导体器件已经逼近了其极限尺寸。与此同时,随着实验制备工艺和合成技术的发展,越来越多的纳米材料和纳米结构不断涌现。得益于微小的结构和敏感的量子效应,纳电子器件在信息感知、物质探测等方面具有先天的优势。相比于传统器件,其具有灵敏度高、能耗低、尺寸小、易集成的优点。如利用双层石墨烯结构中带隙随层间距变化原理制成的压力探测器,利用碳纳米管和电子隧穿效应构建的质量探测器,利用耦合作用、电子隧穿效应构建的DNA碱基序列探测器等。

  1)低维纳米材料是未来纳电子器件的基本组成单元,诸多新型纳米材料的合成为本方向提供了很好的借鉴。本方向主要研究纳米线、纳米管、石墨烯、类石墨烯、钙钛矿结构等材料的制备、性质及应用,探讨纳米结构和材料的复合与组装结构及其力-电、气-电、温-电、光-电、湿-电、电-电、磁-电等传感效应;重点研究碳基富勒烯、纳米管、石墨烯及其衍生结构和复合结构的输运性质及其电磁效应,研究类石墨烯结构等低维纳米结构及其耦合结构的电子输运性质。在此基础上,深入分析影响输运性质的各种因素,进一步设计和研究相关碳基纳电子器件及太阳能电池,探索其在信息感知和信息处理等的应用。

  2)在太阳能电池的利用过程中,由于半导体带隙的限制,红外光的子带损失和紫外光的热损失成为提高太阳能电池效率的主要瓶颈因素。因此,实现太阳能光谱中的频域转换使其匹配半导体的带隙成为提高光谱利用率的关键,即调制太阳光谱使红外光和紫外光转换到太阳能电池的波长响应区。本项目重点开展两方面的工作:一是制备减反材料以实现低的反射损失,以及最大限度的提高进入电池中的光能量。即通过多次反射再吸收利用来延长光在电池中的传输过程,以利用更多的光能。其次扩展太阳能电池对太阳光谱的频率响应范围,将一些不被某一电池响应或响应很弱的太阳光转换到太阳能电池选择性吸收利用的最佳频带范围内,以改善其对太阳光谱的响应特性。这种新型的双波长激发下的协同增强效应机制提供了一种更加优化的方式来提高光伏响应性能。二是在提高光伏太阳能电池效率的同时,研发柔性透明电极器件可以使其具有可弯曲、造价低、重量轻、便携式等优点。本实验室利用透明聚合物衬底和附着在透明衬底上的金属纳米线薄膜和石墨烯薄膜的叠层,制备出具有较高的透光率、较小的电阻和良好柔韧性的柔性透明电极。选取不同的有机衬底和透明导电膜材料,研究不同有机聚合物的光电机理和光电特性。探索柔性透明电极表面和功函数对空穴注入势垒的影响,以及柔性透明电极和发光层的匹配问题,进而发现具有高发光效率和长发光寿命的电极材料。

  自九十年代以来,本方向就在国家自然科学基金重点项目和国家863计划重大项目等的支持下,开展了一些有原始创新性、卓有成效的工作,在Phys. Rev. Lett.、Opt. Lett.、J. Mater. Chem等重要国际刊物发表了大量高水平论文,部分成果曾获省级科技成果奖。以上成果显示本实验室有很好的研究基础。

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