甲胺铅碘钙钛矿的本征载流子动力学

以纳秒脉冲二极管激光作为泵浦源,研制了一款高灵敏瞬态吸收光谱仪,该光谱仪利用平衡探测器的原理,宏脉冲和子脉冲的时序结构,并结合电子学延时方式,避免了频繁的平衡操作,从而实现了高灵敏度瞬态吸收(ΔA<5×10^(-6))的快速测量。利用该光谱仪测量了甲铵铅碘(MAPbI_(3))钙钛矿薄膜材料在不同泵浦功率密度下的载流子动力学,发现了泵浦功率密度依赖的动力学现象,并且实现了在低载流子浓度下线性响应区的载流子动力学测量。进一步测量和比较了MAPbI_(3)钙钛矿薄膜在296 K和220 K下的载流子动力学,发现低温能延长载流子寿命,原因是在低温下,电离化的杂质辅助电荷复合速率减小。本研究提出的高灵敏瞬态吸收方法可以拓展到全纳秒脉冲二极管激光系统,这不仅会降低瞬态吸收光谱仪的成本,同时在快速评估材料在太阳光照低载流子浓度下的本征性能方面也有潜在的应用。

晶体硅太阳电池中载流子选择性接触材料探析

随着科技的不断发展,晶体硅太阳电池逐渐取得众多企业的青睐。传统电池结构中,由于接触界面处存在复合损失,导致电池整体效率难以再有显著提升。因此,如何减少接触界面损失,成为困扰众多学者的课题之一。本文重点阐述了晶体硅太阳电池基本原理、PEDOT:PSS的空穴选择性接触性能分析、过渡金属氧化物的空穴选择性接触性能分析、碱金属乙酸盐电子选择性接触性能分析以及氧化锌的掺杂及其电子选择性分析,以期推动光伏产业的发展。

陕西科技大学学者发表载流子弛豫动力学调控研究成果

半导体Ⅱ型异质结是光电器件(如光伏器件和光电探测器件)中的关键组成部分。传统理论认为层间电荷转移是半导体Ⅱ型异质结中主要的载流子弛豫机制。近日,陕西科技大学物理与信息科学学院许并社团队韩斌副教授在国际高影响力期刊Advanced Functional Materials发表题为“Manipulating Interlayer Carrier Relaxation Dynamics in Type-ⅡHeterostructures of 2D Hybrid Perovskites Through Organic Spacer Engineering”的高水平论文。韩斌带领硕士生邱琪、汤言韧等人结合实验和理论计算证明了在由二维有机-无机杂化钙钛矿构成的Ⅱ型异质结中,载流子弛豫机制可由电荷转移转变为能量转移,且无需额外的电荷阻挡层。

基于DBR增强的850 nm GaAs/AlGaAs单行载流子光电探测器

高速850 nm GaAs/AlGaAs面入射型单行载流子光电探测器(PD)是短距离光链路中的重要器件,面临着带宽和响应度之间的相互矛盾。报道了一种基于分布布拉格反射器(DBR)增强的GaAs/AlGaAs单行载流子光电探测器(UTC-PD)。DBR由20个周期的高/低Al组分的Al_(x)Ga_(1-x)As三元合金组成,可以在830~870 nm范围内形成大于0.9的反射。在AlGaAs DBR的增强下,将GaAs吸收层所需的厚度降低到1 040 nm,兼顾PD对光的吸收率和光生载流子的渡越时间。采用双台面、聚合物平面化、共面波导电极结构制作了UTC-PD器件。该器件在850 nm波长、-2 V偏压下具有19.26 GHz的-3 dB带宽和0.492 6 A/W的响应度。

新型载流子积累的逆导型横向绝缘栅双极晶体管

通过引入n^(+)阳极在体内集成续流二极管的逆导型横向绝缘栅双极晶体管(reverse-conducting lateral insulated gate bipolar transistor,RC-LIGBT)可以实现反向导通,并且优化器件的关断特性,是功率集成电路中一个有竞争力的器件.本文提出了一种新型载流子积累的RC-LIGBT,它具有电子控制栅(electron-controlled gate,EG)和分离短路阳极(separated short-anode,SSA),可以同时实现较低的导通压降和关断损耗.在正向导通状态,漂移区上方的EG结构可以在漂移区的表面积累一个高密度的电子层,从而大大地降低器件的导通压降.同时,SSA结构的使用还极大优化了器件的关断损耗.另外,低掺杂p型漂移区与SSA结构配合,可以简单地实现反向导通并且消除回吸电压.仿真结果表明,所提出的器件具有优秀的导通压降与关断损耗之间的折衷关系,其导通压降为1.16 V,比SSA LIGBT低55%,其关断损耗为0.099 mJ/cm^(2),比SSA LIGBT和常规LIGBT分别低38.5%和94.7%.

能带优化和载流子调控改善SnTe的热电性能

作为ⅣA族碲化物,SnTe具有与PbTe相同的晶体结构和相似的双价带结构,是一种非常有前途的热电材料,但高温软化和低温热电性能差等问题阻碍了其进一步推广应用。因此,提升SnTe的平均热电优值,拓宽服役区间,有重要的研究意义。能带工程和晶格工程可同时优化功率因子和晶格热导率,提升SnTe的热电性能。本研究采用MgSe合金化策略,通过熔炼和放电等离子烧结(SPS)的方法制备了一系列Sn1-yPbyTe-x%MgSe(0.01≤y≤0.05,0≤x≤6)样品。研究发现,合金化MgSe可增大能带带隙,有效抑制本征SnTe在高温段的双极扩散,使高温Seebeck系数得到提升,同时声子散射降低了体系晶格热导率,使高温热电性能(873 K)提升了100%;掺杂Pb元素可有效调制载流子浓度抑制电子热导率,从而提升SnTe平均热电性能。其中,Sn0.96Pb0.04Te-4%MgSe样品在873 K的ZT为1.5,423~873 K的平均ZT达到0.8,得到了比文献更优异的结果。

半导体光放大器对超短光脉冲放大过程中载流子寿命的变化

修正了人们在研究半导体光放大器对光脉冲的放大这一动态过程中把载流子寿命取为常数这一处理方法 .通过考虑放大器中载流子的实际复合机制 ,提出了一个可研究载流子寿命变化的模型 .数值计算的结果表明 ,在半导体光放大器对超短光脉冲进行放大这一动态过程中 ,载流子寿命变化明显 。

110~200GHz频段InP单行载流子光电二极管

设计制备了一种基于InP材料低偏压工作的单行载流子光电二极管(UTC-PD),该器件的工作频率范围为110~200 GHz。为提升器件的带宽特性,UTC-PD芯片的吸收层采用p型高斯掺杂的InGaAs材料,芯片的InP衬底减薄至12μm。UTC-PD采用背照式的方式输入光信号。通过倒装焊的形式将芯片安装在厚度为50μm的AlN基片上的共面波导焊盘上进行测试。在-3 V偏压和155μm波长输入光条件下,制备器件的响应度超过02 A/W;在110 GHz处获得最高输出功率为-56 dBm,19783 GHz处的输出功率最低为-106 dBm。

基于内场发射原理的无载流子注入型量子点发光器件光电研究

工作于无载流子注入工作模式下的量子点电致发光器件因其简单的结构而受到关注。由于没有外部载流子参与电致发光,揭示该器件稳定工作时所需载流子的来源对于理解器件工作机理、优化器件结构具有重要价值。文章研究了多层量子点薄膜在无载流子注入工作模式下的光电特性,实验结果表明:发光强度会随着交流驱动电压的幅度的增加迅速增加到一个最大值,然后逐渐降低;同样地,发光强度会随着交流驱动频率的增加而增加,然后逐渐降低。此外,在不同电压和频率下该发光谱具有完全相同的中心波长和半峰宽。结合量子点之间存在的绝缘有机配体环境,提出了基于内场发射原理的多层量子点无载流子注入发光模型。该研究有望为获得先进量子点发光技术提供参考。

纳米MgO对ZnO紫外光电转换涂层中载流子复合的抑制作用

利用MgO的钝化作用以抑制ZnO电子传输层中缺陷对载流子的复合。将MgO纳米颗粒掺入ZnO中,制作成含有混合氧化物粉末的悬浊液,将其旋涂在P型钝化发射极背面电池的发射极表面,再通过高温热处理的方式将颗粒固化成涂层。ZnO-MgO纳米颗粒涂层硅基太阳能电池在光照下有更高的短路电流密度。ZnO-MgO纳米颗粒涂层使电池的整体效率从17.10%提高到了19.22%,相比于单ZnO纳米颗粒涂层,对晶硅电池衬底的光电转换效率提升比例增加了4.68%。分析表明,ZnO-MgO纳米颗粒涂层使太阳能电池有更高的载流子浓度,以及在失去光照后更平缓的光电流衰减,表明载流子复合过程受到抑制,同时ZnO-MgO纳米颗粒涂层在织构型发射极表面形成的纳米球状形貌,具有一定的陷光效应,也有助于光吸收的增强和光电转换效率的提高。

多晶Sb_(2)Se_(3)薄膜的载流子扩散复合研究

研究Sb_(2)Se_(3)中的载流子复合和扩散对提高其光电性能至关重要。瞬态吸收光谱技术可以深入地描述材料载流子的复合、转移瞬态行为,这有助于理解材料的光物理特性,表征光电材料或器件的性能。测试不同激发波长和激发密度下的多晶Sb_(2)Se_(3)薄膜的瞬态吸收光谱。首先分析了瞬态吸收光谱的主要特征,然后提取了自由载流子复合动力学曲线,利用载流子的扩散复合方程对自由载流子的动力学曲线进行拟合。研究得到载流子双极性扩散系数D为1.80×10^(-6)m^(2)/s,载流子表面复合速率S为1400m/s,一阶载流子复合系数k1为2.50×10^(10)~4.50×10^(10)s^(-1),三阶俄歇复合系数k3为1.50×10^(-40)~8.00×10^(-40)m^(6)/s。研究结果有助于加深对Sb_(2)Se_(3)薄膜载流子复合的理解。

Te掺杂的GaSb材料载流子特性研究

非故意掺杂的GaSb材料呈现p型导电,限制了GaSb材料在InAs/GaSb超晶格红外探测器等领域的应用。探究N型GaSb薄膜电学特性对估算超晶格载流子浓度以及制备超晶格衬底、缓冲层、电极接触层等提供了一定的理论依据。Te掺杂能够以抑制GaSb本征缺陷的方式实现N型GaSb薄膜的制备,利用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)技术,设置GaTe源温分别为420℃、450℃、480℃,分别在GaSb衬底与GaAs衬底上生长不同GaTe源温度下掺杂的GaSb薄膜,通过霍尔测试探究GaSb薄膜的电学特性。在77 K的霍尔测试中,发现在GaAs衬底上生长的GaSb薄膜均显示为N型半导体,载流子浓度随源温升高而增加。与非故意掺杂的GaSb相比,源温为420℃、450℃时由于载流子浓度增加而导致的杂质散射,迁移率大幅提高,且随温度升高而增加,但在480℃时,由于缺陷密度减小,迁移率大大减小。在GaSb衬底上生长7000ABe掺杂的GaSb缓冲层,再生长5000ATe掺杂的GaSb薄膜。结果发现,由于P型缓冲层的存在,当源温为420℃时,薄膜显示为P型半导体,空穴载流子的存在导致薄膜整体载流子浓度增加,且空穴和电子的补偿作用使迁移率大幅降低。源温为450℃、480℃时,薄膜仍为N型半导体,载流子浓度随温度增加,且为GaAs衬底上生长的GaSb薄膜载流子浓度的2~3倍;迁移率在450℃时最高,480℃时减小。设置GaTe源温为450℃时GaSb薄膜的载流子浓度较高且迁移率较高,参与超晶格材料的制备能够使整个材料的效果最佳。

MXenes等离激元诱导热载流子产生与输运温度依变性

MXenes可以实现大规模合成且具有诸多优异光电特性,被用于构建各种结构和功能独特的热载流子光电探测器件.然而,变温环境条件下MXenes并不稳定,一方面环境温度升高会加速材料氧化降解,另一方面温度变化可能影响光电器件的寿命和性能稳定性,目前MXenes温度不稳定性受到越来越多关注.鉴于实验研究变温条件下MXenes热载流子性质的局限,本文基于多体微扰理论和量子力学理论,研究环境温度对电子态分布和散射效应的影响.从表面等离激元非辐射衰减角度出发,采用第一性原理计算量化热载流子的产生效率、能量分布和输运,系统研究了MXenes表面等离激元诱导热载流子的环境温度依变特性.结果表明,MXenes中带间跃迁和声子协助电子跃迁共同高效率产生了高能热空穴主导的热载流子,且表现出与硼烯媲美的长寿命和输运距离.环境温度升高显著提高了红外波段的热载流子产生效率,同时可见光波段的热空穴表现出优异环境温度稳定性.此外,环境温度升高降低了热载流子的寿命和输运距离,主要源于增强的电子与光学声子散射效应.

金属钛酸盐基压电催化剂的最新进展:改善压电性能和调节载流子输运以提高催化性能

压电催化技术是一种新兴的催化方法,能够有效地将清洁、丰富的机械能(如水流动能、潮汐能和风能)转化为化学能,在化学催化领域展现出显著潜力,为环境修复和能源管理提供可持续的解决方案.金属钛酸盐因其良好的压电响应、环保特性和成本效益,在压电催化领域备受关注.然而,压电催化活性的不足限制了其实际应用.为克服这一挑战,提高机械能响应效率和减少能量转换过程中的损失成为关键.研究人员通常从两个核心策略出发:一是优化压电性能,二是调控载流子传输.深入理解这些策略在提高压电催化活性中的核心作用,对于设计高效压电催化剂并推动压电催化技术发展具有重要意义.本文系统地总结了金属钛酸盐的分类、合成方法和设计策略.首先,根据其在压电催化中的应用,将金属钛酸盐分为单金属钙钛矿钛酸盐、多金属钙钛矿钛酸盐和层状类钙钛矿钛酸盐,并从结构角度揭示了其压电特性的起源.其次,概述了金属钛酸盐的主要制备方法,包括水热法、固态反应法、熔盐法和静电纺丝法,并从提升催化性能角度比较了它们的优缺点.在金属钛酸盐的设计策略部分,探讨了构建准同型相界、应变工程、居里点控制、外场诱导极化和定向晶体生长等方法对改善压电性能的可行性.特别是,构建准同型相界和采用外场诱导极化,可以分别降低极化旋转的能垒和诱导宏观极化,在提升金属钛酸盐压电催化性能方面表现出显著效果.此外,还强调了助催化剂负载、碳材修饰和半导体异质结构在促进载流子分离中的重要作用.其中,空间分离的助剂修饰能够较大程度地提高载流子的分离效率,进而显著增强压电催化性能.最后,本文对基于金属钛酸盐的压电催化剂的技术发展进行了展望,旨在推动压电催化剂的合理设计和实际应用.具体建议包括:(1)规范压电催化性能评价体系,以实现不同系统间催化剂性能的统一、合理评价;(2)综合评估影响压电催化的因素,寻求最优解,并加强多种策略的耦合设计;(3)加强有限元模拟和密度泛函理论等理论支撑,开发应用原位技术,以深入探究压电效应在催化过程中的具体贡献,加深对压电催化机理的理解;(4)发展基于低速搅拌、水冲洗、机械刷等微弱动力的压电催化技术,并设计对低频机械能敏感的新型催化剂,以适应自然界的能量条件;(5)研究宏观支撑的压电催化剂设计,以提高在应力条件下的稳定性,同时增强可持续利用性;(6)耦合其他先进的氧化工艺,以加速活性物质的生产.综上,本文聚焦环境修复和能源应用,深入分析了从压电特性改善和载流子运输调节两个角度出发的多种策略在提升金属钛酸盐压电催化性能中的关键作用,并对该领域的未来发展趋势和面临的挑战进行了展望.本文旨在为高效压电催化剂的设计提供参考和借鉴.

纳米CMOS器件中热载流子产生缺陷局域分布的表征

本文针对纳米小尺寸CMOS器件,提出了一种根据表面势模型表征热载流子产生电荷陷阱和界面态局域分布的方法。热载流子注入(Hot Carrier Injectione,HCI)应力会在栅氧化层和Si/SiO_(2)界面中产生电荷陷阱和界面态,随着应力时间递增,这些缺陷的增多引起阈值电压等器件参数的漂移,在漏致势垒降低(Drain Induced Barrier Lowering,DIBL)效应下,可以选取表面势最大值处的阈值电压偏移量来表征沟道相应位置处HCI致电荷陷阱和界面态。研究发现,通过测量施加HCI应力前后器件阈值电压偏移量随源/漏极电压的分布,结合表面势模型计算出源/漏极电压随沟道表面势峰值的分布,可以得到HCI致电荷陷阱和界面态沿沟道的局域分布。利用此方法,精确地表征了在32 nm CMOS器件中HCI应力引起的电荷陷阱和界面态沿沟道的分布,并进一步分析了HCI效应的产生机理。

Fe掺杂GaN的载流子动力学特性

【目的】在通信波段(1 310 nm和1 550nm)探究Fe掺GaN(GaN:Fe)晶体的超快载流子动力学特性,并从半导体能带角度阐述光生载流子的瞬态吸收和复合机制。【方法】利用飞秒瞬态超快吸收光谱结合半导体能带理论进行试验和理论的研究。【结果】实现了对GaN:Fe的“以光控光”的全光调制功能,试验拟合得到的光生载流子复合寿命,即光控开关时间可以缩短至10 ps以下,对应的全光调制速率可快至50 GHz。【结论】理论预测在0.5 mJ/cm2的超低泵浦能流下,GaN:Fe的光开关调制深度可高达50%,且不会受到Fe掺杂浓度的提高而降低。研究成果为过渡金属掺杂宽禁带半导体在未来集成光子器件领域的应用提供了重要参考。

缺陷钝化钙钛矿太阳能电池的载流子动力学研究

以钙钛矿材料作为吸收层的太阳能电池具有成本低,损耗少等优点,受到广泛的关注。钙钛矿太阳能电池的工作机理是光生载流子的产生与传输。然而,存在于材料内部与界面的缺陷会促进载流子复合,阻碍载流子传输,从而降低电池的效率。将丁酰肼(daminozide,DA)作为夹层与添加剂引入到钙钛矿太阳能电池中,极大程度地钝化了缺陷,显著提高了电池效率。利用瞬态吸收技术测得相关样品的时间分辨光谱,通过分析钙钛矿内部的载流子动力学,证实了DA的引入可以大幅钝化钙钛矿薄膜的缺陷,提高光电池性能。这也为制备高性能钙钛矿太阳能电池提供了一定的理论指导。

结构相变引起单层RuSe_(2)载流子迁移率的提高

过渡金属二硫族化合物(TMDs)是二维材料家族中的重要成员,具有丰富多样的晶体结构和物理特性,是近年来在科学研究和器件应用领域关注度较高的材料之一.本文通过第一性原理计算研究了单层RuSe_(2)的结构和相变,在确定其基态为二聚相(T′相)的同时,发现该材料存在能量相近的三聚相(T′″相).分别从动力学和热力学角度预测了该晶相结构的稳定性.结合相变势垒的计算和分子动力学模拟,预测在室温下对相结构施加较小的应力就可以实现晶格从T′相到T′″相的转变.相变后的能带结构以及载流子迁移率都发生了明显的改变,其带隙由1.11 eV的间接带隙转变为0.71 eV的直接带隙,载流子迁移率有了大幅的提升,空穴迁移率达到了3.22×10^(3)cm^(2)·V^(-1)·s^(-1).本文对比研究了RuSe_(2)单层中可能共存的两种畸变相,分析了不同晶相的电子结构和迁移率,为实验上研究二维RuSe_(2)材料及其在未来器件中的应用提供了理论依据.

脉冲激光用于钙钛矿CsPbBr_(3)半导体中载流子输运性能表征

钙钛矿半导体具有优异的光电性能,被认为是新一代室温核辐射探测半导体。准确测定其载流子输运性能对于获得高性能钙钛矿半导体核辐射探测器至关重要。该文发展了以脉冲激光为激发源的钙钛矿半导体载流子输运性能表征方法。基于所制备的Au/CsPbBr_(3)/Bi器件,将脉冲激光由阳极面入射,并采集探测器阴极的脉冲信号,通过不同偏压下脉冲信号的上升时间及幅值分布,拟合得到CsPbBr_(3)半导体中空穴载流子的迁移率μh为11.78 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),迁移率寿命积μτh为2.82×10^(-3)cm^(2)·V^(-1),与传统以241Amα粒子为激发源的表征结果相当。该工作证明了以脉冲激光为激发源表征钙钛矿半导体的输运性能的可行性。基于CsPbBr_(3)半导体较好的载流子输运性能,该探测器表现出良好的γ射线探测性能,对57Co@122 keVγ射线的能量分辨率为8.5%。

LDD MOSFET热载流子退化分析及其寿命预测

集成电路器件密集化导致电场梯度增大和电流密度集中,加剧了热载流子效应,电热性能退化。本文聚焦热载流子注入(Hot carrier injection, HCI)效应对器件可靠性的影响问题,通过研究N型轻掺杂漏极金属氧化物半导体场效应晶体管(N-type lightly doped drain metal-oxide-semiconductor field effect transistor, LDD NMOSFET)的寿命试验,深入分析了中栅应力区HCI对器件关键电学参数的影响,并与低栅应力区的退化模式进行了对比。结果表明,线性漏极电流的退化率高于饱和漏电流,但退化幂律小于饱和漏电流;在相同应力下不同电学参数的退化率不同,其中最大跨导的退化率最高。基于测试数据构建了LDD NMOSFET电学参数随应力时间变化的关系,提取模型参数,确定了寿命预测模型,并外推出了不同应力电压下的器件寿命。