碳材料在自然界含量豐富，并且是目前唯一的同位素構型涵蓋零維到三維的單元素體系。富勒烯、碳納米管及石墨烯的相繼發現，使得碳家族材料成為材料科學和納米技術領域長期的研究熱點。特別是1D碳納米管和2D石墨烯，在電子和光電子領域展現了巨大的應用價值。南京大學電子科學與工程學院王楓秋教授課題組從全碳復合材料界面處豐富的調控自由度和高效的電子遷移出發，提出將1D的單壁碳納米管和2D石墨烯結合形成“原子層厚”薄膜，有望形成與傳統二維異質結不同的，可規模化制備的光電功能材料。近年來，課題組在全碳異質材料的制備、光電子器件及光電物性研究方面取得了一系列的研究成果。
圖1. 石墨烯/碳納米管異質結示意圖
課題組基于石墨烯/碳納米管異質結薄膜首次實現了全碳寬譜光探測器。針對目前石墨烯基光探測器響應度低和碳納米管薄膜探測器響應速度慢的問題，課題組利用碳納米管photogatting效應實現了105的光導增益，在保持寬譜響應（400-1550 nm）的情況下，實現了器件高響應度（>100 A/W）與高響應速度（104 Hz）的協同優化，見圖2。該研究也首次將基于二維材料的范德瓦爾斯異質結（van der Waals heterostructures）擴展到了1D/2D復合結構，為研究范德華異質結中基于量子局限效應的新奇物理現象提供了一個全新的平臺。相關成果以Planar carbon nanotube-graphene hybrid films for high-performance broadband photodetectors為題發表于國際權威期刊《自然-通訊》(Nature communications 6, 8589, (2015))。
圖2. (a) 石墨烯/碳納米管異質結薄膜器件響應度隨光功率的函數關系；(b) 器件的響應速度；(c) 器件的可見光-近紅外波段光響應
緊接著，課題組通過光電流表征結合拉曼光譜統計學分析，研究了石墨烯/碳納米管異質結界面處的載流子動力學，證實了全碳異質結界面處載流子動力學與碳納米管的手性密切相關。研究發現，半導體型碳納米管/石墨烯異質結：光照下，光生電子在內建電場作用下向石墨烯轉移，形成光電流；而金屬型碳納米管/石墨烯異質結，光電流的產生則是由于光照下石墨烯的熱效應引起的。相關成果以Charge transfer at carbon nanotube-graphene van der Waals heterojunctions為題發表于納米領域知名期刊《Nanoscale》(Nanoscale, 8, 12833, (2016))
圖3. (a) 碳納米管/石墨烯薄膜SEM；(b) 不同碳納米管/石墨烯界面處電荷轉移示意圖
全碳體系非凡的力學特性使其在柔性電子學領域具有極大的應用空間，課題組利用石墨烯/碳納米管異質結薄膜在柔性襯底PET上面構建晶體管，演示了器件在不同應力曲度下依然能夠保持很好的光電響應（響應度~50 A/W，響應速度~40 ms），見圖4。該工作證實了全碳材料體系具有良好的機械柔韌性，并且具有大面積集成的優勢，在可穿戴器件領域具有潛在應用價值。相關成果以Graphene-carbon nanotube hybrid films for high performance flexible photodetectors為題發表于納米領域知名期刊《Nanoscale》(Nano Research 10, 1880, (2017))
圖4. (a) 全碳柔性器件示意圖；(b) 柔性器件的響應度函數，插圖為器件顯微鏡圖像；(c) 柔性器件的響應速度
近期，課題組在類神經元器件方面也進行了探索。隨著科技的不斷發展，摩爾定律逐漸走向了它的物理極限，對于“類腦芯片”的研究越來越受到重視。與傳統計算機處理方式不同，神經形態器件模擬生物大腦進行數據處理，因此在處理直覺（如模式、語音識別等）、非結構化信息方面具有得天獨厚的優勢。作為類腦芯片的基礎，類突觸器件近年來獲得了廣泛關注并成為了該領域研究的焦點。然而，基于電激勵方式的傳統人工突觸器件的數據采集和神經元運算是分離的，同時多數突觸器件由于其耦合因子固定，導致其突觸權重不易調控，這與生物體中突觸的可塑性具有明顯差異。這些因素制約了類腦芯片向更高維度智能的實現。基于此，課題組將光子引入神經網絡，利用全碳異質結薄膜成功實現了光激勵的新穎類突觸器件，模擬了短時程、長時程可塑性以及多通道光激勵信號的邏輯運算，見圖5，使其能夠有效模擬人的視覺神經系統（兼具感光功能和光信號處理的一個復雜的神經計算體系）。相關成果以A light-stimulated synaptic device based on graphene hybrid phototransistor為題發表于二維材料研究領域知名期刊《2D Materials》(2D Materials 4, 035022, (2017))
圖5.石墨烯/碳納米管異質結構類突觸器件 (a) 短時程 (b) 長時程物理機制及測試結果，通過背柵可調制類突觸器件的可塑性。
該系列工作以南京大學電子科學與工程學院、人工微結構科學與技術協同創新中心為主要研究平臺，得到了張榮教授、徐永兵教授以及施毅教授的有力支持，并受到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、“青年千人計劃”、“江蘇省雙創團隊計劃”、“江蘇省杰出青年基金”等的資助。
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