新型二维晶体及其异质结光电探测器的原理及功能特性研究

In this project, we mainly investigate on the principles and functionalities of the photodectors based on two dimensional (2D) materials and their heterostructures, also we study the spin generation and procession in the new type of spin photodetectors based on 2D materials. We firstly fabricate the photodetectors based on 2D materials with different electrodes and investigate their optoelectronic properties. We try to understand how the electrodes affect the optoelectronic properties of these devices. Then we fabricate the photodetectors based on 2D material heterostructures. Through optoelectronic measurements, we expect to find how we can effectively obtain high performance two color or even multi color photodectors combining the theoretical calculations. At last, we fabricate the spin photodectors combing 2D materials and ferromagnetic electrodes. Then we investigate the physics of spin generation and transport in these devices. This project can push the developments of the heterostructure photodetectors and spintronics based on 2D material forward. Also it can provide the scientific basis for their future applications.

本项目主要开展基于二维晶体及其异质结光电探测器的原理及功能特性研究，并探索新型二维晶体自旋光电探测器中自旋的产生和输运过程。在本项目研究过程中，我们首先利用微纳加工工艺制备出具有不同电极材料的二维晶体光电探测器，并研究对应器件的光电特性，找出不同电极对二维晶体光电探测器性能的影响规律和内在物理机理。在此基础上，研制由两种二维晶体形成的二型异质结光电探测器，研究器件的光电特性，并通过理论分析，探索如何利用二维晶体异质结来实现双色甚至多色高性能光电探测器的有效途径；结合二维晶体和铁磁电极材料，制备出新型的自旋光电探测器，理论结合实验，探索器件中自旋产生和输运过程的物理机制。本工作的开展将对中国二维晶体异质结光电探测器及自旋电子学领域的发展起到积极的推动作用，并为其走向应用奠定科学基础。

光电探测器作为光电系统中非常重要的组成部分，在当今信息时代的信息传输和处理等方面发挥重要作用。然而当前光电探测器依然存在性能单一、能耗大、兼容性低等问题。二维晶体凭借其独特的晶体结构、机械、物理特性以及0~6 eV范围可变的禁带宽度引起了科研工作者们的广泛关注，并且展现了在多功能器件中的潜能。利用不同二维晶体构筑的多层范德华异质结构为高性能的探测器和光源等光电器件提供了可能。本项目主要开展基于二维晶体及其异质结光电探测器的原理及功能特性研究，并探索新型二维晶体自旋电子器件中自旋的产生和输运过程。在本项目执行过程中，我们利用微纳加工工艺制备并研究了基于石墨烯电极的二维晶体管光电探测器广谱自驱动光电特性，找出不同电极对二维晶体光电探测器性能的影响规律和内在物理机理；利用能带工程构筑基于石墨烯电极的范德华异质结光电探测器，系统研究器件的光电特性，并通过理论分析，探索了如何提升光电器件性能的有效途径。我们实现了基于二维晶体及其异质结光电探测器紫外-可见-近红外的宽光谱自驱动光电探测和可见-近红外偏振光电探测，为研制超越现有半导体材料和技术的低功耗高性能光电子器件提供了新策略。此外，结合二维晶体和铁磁电极材料，制备出新型的自旋器件，理论结合实验，探索器件中自旋产生和输运过程的物理机制，为实现基于二维晶体的自旋光电探测器奠定了基础。本项目的开展将对二维晶体异质结光电探测器及自旋电子学领域的发展起到积极的推动作用，并为其走向应用奠定科学基础。本项目取得多项有意义的成果，发表学术论文15篇，包括Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Small Methods、Science Bulletin、Nanoscale等国际期刊。