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西工大新型光电功能晶体研究取得突破

2018-11-06    来源:西北工业万博    浏览次数:223


西北工业万博材料学院介万奇教授团队与西班牙Andres Castellanos-Gomez教授团队合作,揭示了新型光电功能晶体GaSe材料与光电器件的失效过程与机制,并据此提出了提高GaSe器件工作稳定性的办法。研究成果以“Toward Air Stability of Thin GaSe Devices: Avoiding Environmental and Laser-Induced Degradation by Encapsulation”为题,于2018年10月9日在Advanced Functional Materials (先进功能材料)上在线发表,介万奇教授团队博士研究生赵清HUAWEI第一编辑,材料学院王涛副教授与西班牙Riccardo Frisenda和Andres Castellanos-Gomez教授为文章的共同通讯编辑,西北工业万博为论文第一单位和共同通讯单位。论文链接如下:https://doi.org/10.1002/adfm.201805304。

GaSe晶体在量子光学实验中具有十分诱人的应用前景,因为在室温下即可以观察到单光子发射。此外它还具有很强的非线性光学性质,可以产生强二次谐波和三次谐波。GaSe光探测器响应率高达1200A/W,在光电探测领域也十分有前景。

但是GaSe晶体属于典型的III-VIA族化合物半导体,由于具有本征结构缺陷,高质量晶体较难制备。此外,GaSe器件应用需要解决的主要问题还在于稳定性较差。目前对于空气环境下其失效机理仍然缺乏统一的认识,尤其是对电学及光电性质变化的影响机制,尚没有明确的说法,影响了器件的广泛使用。

本项工作在生长高质量GaSe晶体的基础上,详细研究了环境和激光诱导条件下的GaSe晶体性能退化问题。采用光学显微镜、AFM、拉曼等手段,研究了空气、真空、氧气、氮气气氛以及激光条件下GaSe表面形貌和光电性能的变化规律。发现GaSe器件的性能退化可以分成两个阶段,第一个阶段首先在GaSe表面分解生成α-Se和Ga2Se3,导致光电流增加;第二个阶段,GaSe与空气中的氧反应生成Ga2O3并且浓度不断增加,导致光电流下降,最终导致光电探测器失效。研究全面揭示了GaSe器件失效的完整机制,并基于此提出了采用BN包覆防止退化的新思路,为GaSe器件的制备和应用指明了方向。采用BN包覆的器件工作稳定性大大提高,证明了这一思路的正确性。

该项工作得到首批国家重点研发计划(2016YFB0402405)的支撑。

近年来,王涛副教授将II-VI族半导体晶体(CdZnTe、CdTe等)生长技术拓展应用于GaSe、GaTe等III-VI族半导体生长,解决了缺陷化合物晶体生长的难题,获得了一系列成果。其中利用高质量GaSe晶体较高的二次非线性系数,成功应用于二次谐波产生,合作工作发表于Nature旗下Light杂志(Xuetao Gan et al., https://www.nature.com/articles/lsa2017126)和Wiley旗下Advanced Optical Materials杂志(Liang Fang et al., https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201800698);关于GaTe晶体相变研究的工作发表于RSC旗下Physical Chemistry Chemical Physics杂志(Qinghua Zhao et al., https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/cp/c6cp01963c),并被遴选为封面论文。

 


图1 GaSe晶体表面形貌变化过程

 


图2 GaSe器件表面的长时间拉曼监测结果

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