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高义华教授团队发现并证实赝负光电导效应

来源:武汉光电国家实验室(筹) 点击次数:8624次 发布时间:2015-05-15 10:55:15 编辑:宣传部

光电导效应研究图


  新闻网讯(通讯员 刘洋 刘会平)光照射到半导体或绝缘体的表面时,使物体内部的受束缚电子受到激发,从而使物体的电导率增大,这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。在实现快速有效的光电转换的基础上,如何有效控制和利用光的热效应成为学术界的一个关键问题。


  武汉光电国家实验室(筹)、物理学院双聘教授高义华及团队成员刘逆霜副教授、李露颖副教授、博士生丁龙伟,与美国佛罗里达国际大学李文治教授、武汉大学王建波教授、湖北大学顾豪爽教授等开展了卓有成效的合作,从偶然观察到负光电导现象开始, 历时3年,进行大量实验,最终发现并证实了光的赝负光电导效应。


  5月7日,相关研究成果《石墨烯骨架热协同、非晶表面态控制的精细SnO2纳米颗粒的赝负光电导效应》(Graphene-Skeleton Heat-Coordinated and Nanoamorphous-Surface-State Controlled Pseudo-Negative-Photoconductivity of Tiny SnO2 Nanoparticles)在线发表在材料领域国际顶级期刊《先进材料》(Advanced Materials)上, 并被选为内封面图。


  该课题组通过合成精细的SnO2纳米颗粒包覆的MWCNTs复合材料,发现该材料在光照下电流减小,电阻增大,呈现出反常的负光电导效应。经研究表明: SnO2纳米颗粒在组成导电体时,存在两部分电流,一部分是穿透整个颗粒的体内电流,另一部分是非晶态的表面电流。前者在穿过表面非晶态时受到剧烈散射,导致体电流减小;后者是非晶态表面在暗态下吸收大量水分子,生成导电的载流电子,导致表面电流增大。在光照致使温度上升的条件下,SnO2纳米颗粒非晶表面所吸附的水分子发生解吸附,载流子浓度下降,电导率减小,电流变化原则上与温度变化同步。


  由于热的不均匀性,课题组进而使用石墨烯替换MWCNTs作为骨架支撑SnO2纳米颗粒,并做成极小的器件。石墨烯具有优越的导热性能,使包覆在表面的SnO2纳米颗粒保持热协同,课题组进一步发现赝负光电导的响应和恢复时间分别缩短至0.44s和0.24s。


  进一步的原位电镜加热实验表明,纳米颗粒加热至200℃时结构依然稳定,并在300℃以上发生非晶化融合。课题组利用这些特点,结合普通的正光电导效应,组装成“与非门”“或非门”等光电逻辑门,基于这些光电逻辑门,可以实现全功能逻辑运算。


  该研究工作得到了国家“973计划”、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。


  该研究工作是高义华课题组在光电纳米材料探测技术方向一系列研究工作的拓展与深化。课题组通过不断深入地研究,逐步优化器件在光照时电流变化公式中的各项参数,在该领域的研究基础包括:制备出快速响应/恢复的ZnO纳米线阵列;结合GaN的光电效应和pn结特性,研制出能在零偏压下工作的增强型紫外探测器;结合压电效应和p-n结特性研制出应力增强型线状三维紫外探测器;使用Ag颗粒包覆ZnO纳米线阵列,光吸收从紫外波段扩宽至近红外波段。相应成果相继发表在《应用物理A》(Applied Physics A)和《光学通讯》(Optics Express )上。


  以上这些研究与赝负光电导效应的研究一道,体现出较好的系统性,为纳米材料基器件的光探测与光传感奠定了基础。