碳材料在自然界含量豐富，并且是目前唯一的同位素構(gòu)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(fā)現(xiàn)，使得碳家族材料成為材料科學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域長期的研究熱點(diǎn)。特別是1D碳納米管和2D石墨烯，在電子和光電子領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用價值。南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王楓秋教授課題組從全碳復(fù)合材料界面處豐富的調(diào)控自由度和高效的電子遷移出發(fā)，提出將1D的單壁碳納米管和2D石墨烯結(jié)合形成“原子層厚”薄膜，有望形成與傳統(tǒng)二維異質(zhì)結(jié)不同的，可規(guī)模化制備的光電功能材料。近年來，課題組在全碳異質(zhì)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(zhì)結(jié)示意圖
課題組基于石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)薄膜首次實現(xiàn)了全碳寬譜光探測器。針對目前石墨烯基光探測器響應(yīng)度低和碳納米管薄膜探測器響應(yīng)速度慢的問題，課題組利用碳納米管photogatting效應(yīng)實現(xiàn)了105的光導(dǎo)增益，在保持寬譜響應(yīng)（400-1550 nm）的情況下，實現(xiàn)了器件高響應(yīng)度（>100 A/W）與高響應(yīng)速度（104 Hz）的協(xié)同優(yōu)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(zhì)結(jié)（van der Waals heterostructures）擴(kuò)展到了1D/2D復(fù)合結(jié)構(gòu)，為研究范德華異質(zhì)結(jié)中基于量子局限效應(yīng)的新奇物理現(xiàn)象提供了一個全新的平臺。相關(guān)成果以Planar carbon nanotube-graphene hybrid films for high-performance broadband photodetectors為題發(fā)表于國際權(quán)威期刊《自然-通訊》(Nature communications 6, 8589, (2015))。
圖2. (a) 石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)薄膜器件響應(yīng)度隨光功率的函數(shù)關(guān)系；(b) 器件的響應(yīng)速度；(c) 器件的可見光-近紅外波段光響應(yīng)
緊接著，課題組通過光電流表征結(jié)合拉曼光譜統(tǒng)計學(xué)分析，研究了石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)界面處的載流子動力學(xué)，證實了全碳異質(zhì)結(jié)界面處載流子動力學(xué)與碳納米管的手性密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體型碳納米管/石墨烯異質(zhì)結(jié)：光照下，光生電子在內(nèi)建電場作用下向石墨烯轉(zhuǎn)移，形成光電流；而金屬型碳納米管/石墨烯異質(zhì)結(jié)，光電流的產(chǎn)生則是由于光照下石墨烯的熱效應(yīng)引起的。相關(guān)成果以Charge transfer at carbon nanotube-graphene van der Waals heterojunctions為題發(fā)表于納米領(lǐng)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(zhuǎn)移示意圖
全碳體系非凡的力學(xué)特性使其在柔性電子學(xué)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用空間，課題組利用石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)薄膜在柔性襯底PET上面構(gòu)建晶體管，演示了器件在不同應(yīng)力曲度下依然能夠保持很好的光電響應(yīng)（響應(yīng)度~50 A/W，響應(yīng)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(jī)械柔韌性，并且具有大面積集成的優(yōu)勢，在可穿戴器件領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。相關(guān)成果以Graphene-carbon nanotube hybrid films for high performance flexible photodetectors為題發(fā)表于納米領(lǐng)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(yīng)度函數(shù)，插圖為器件顯微鏡圖像；(c) 柔性器件的響應(yīng)速度
近期，課題組在類神經(jīng)元器件方面也進(jìn)行了探索。隨著科技的不斷發(fā)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(tǒng)計算機(jī)處理方式不同，神經(jīng)形態(tài)器件模擬生物大腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此在處理直覺（如模式、語音識別等）、非結(jié)構(gòu)化信息方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。作為類腦芯片的基礎(chǔ)，類突觸器件近年來獲得了廣泛關(guān)注并成為了該領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。然而，基于電激勵方式的傳統(tǒng)人工突觸器件的數(shù)據(jù)采集和神經(jīng)元運(yùn)算是分離的，同時多數(shù)突觸器件由于其耦合因子固定，導(dǎo)致其突觸權(quán)重不易調(diào)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(xiàn)。基于此，課題組將光子引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用全碳異質(zhì)結(jié)薄膜成功實現(xiàn)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(yùn)算，見圖5，使其能夠有效模擬人的視覺神經(jīng)系統(tǒng)（兼具感光功能和光信號處理的一個復(fù)雜的神經(jīng)計算體系）。相關(guān)成果以A light-stimulated synaptic device based on graphene hybrid phototransistor為題發(fā)表于二維材料研究領(lǐng)域知名期刊《2D Materials》(2D Materials 4, 035022, (2017))
圖5.石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)構(gòu)類突觸器件 (a) 短時程 (b) 長時程物理機(jī)制及測試結(jié)果，通過背柵可調(diào)制類突觸器件的可塑性。
該系列工作以南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)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(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、“青年千人計劃”、“江蘇省雙創(chuàng)團(tuán)隊計劃”、“江蘇省杰出青年基金”等的資助。
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