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中国科大龙世兵课题组AOM:基于喷墨打印超薄氧化镓的柔性耐高

发布时间:2022-09-25 10:19:14 来源:华体会平台入口 作者:华体会线上登录

  原标题:中国科大龙世兵课题组AOM:基于喷墨打印超薄氧化镓的柔性耐高温深紫外光电探测器

  摘要:中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授课题组和西湖大学朱博文教授课题组基于喷墨打印超薄氧化镓(Ga 2 O 3 )薄膜设计出了柔性且耐高温的Ga 2 O 3 深紫外探测器。该探测器不仅深紫外探测性能优异,而且表现出对应力、高温等极端环境的较强耐受性。同时,该技术方案在探测器阵列成像方面也展现出极大的应用潜力。

  图. (a) 喷墨打印法制备的Ga 2 O 3 超薄膜阵列示意图;(b) 所打印超薄膜阵列在平面及弯曲状态(插图)下的光学照片;(c) 薄膜XRD谱图;(d) 基于打印法实现的柔性探测器在不同弯曲半径下的I-V曲线;(e) 器件在不同温度下光电流及暗电流变化曲线;(f) 柔性探测器阵列二维成像结果展示。

  具有轻重量、可变形、低背景噪声和耐恶劣环境等优点的柔性深紫外光电探测器正在蓬勃发展,在深空探索、穿戴电子等关键领域具有潜在应用价值。氧化镓(Ga 2 O 3 )拥有较宽的带隙(4.4-5.3 eV)和较短的吸收截止边(280 nm),同时兼顾良好的材料可加工性和较高的杨氏模量,是柔性深紫外光电探测器的优选材料之一。此外,Ga 2 O 3 对化学腐蚀、温度和辐照表现出较高的耐受性,使其能够轻松胜任极端环境应用。主流的Ga 2 O 3 薄膜多采用“自上而下”的生长方式,通常对衬底和真空条件有严格的要求。此外,传统器件阵列隔离过程存在严重的材料浪费问题,且蚀刻工艺对柔性衬底存在损伤风险。上述问题使得在柔性衬底上大面积制备Ga 2 O 3 深紫外探测器阵列变得较为困难。鉴于此,“自下而上”的喷墨打印法因具有高通量、高设计性和低真空要求的优点,被认为是一种在任意衬底上制作低成本Ga 2 O 3 柔性探测器及阵列的可行方案。

  中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授课题组和西湖大学朱博文教授课题组,采用喷墨打印法制备出了高性能柔性耐高温Ga 2 O 3 深紫外探测器。结合喷墨打印的高设计性和退火过程中前驱体水溶液的高效转化,制备了厚度15 nm且规整的Ga 2 O 3 薄膜阵列(图a-b)。XRD等表征结果表明,所打印薄膜最终转化为高质量结晶β-Ga 2 O 3 (图c)。在刚性衬底上实现的打印法Ga 2 O 3 探测器在254 nm光照下展现出优异的探测性能,包括高达10 6 以上的光/暗电流比、1.3 A/W的响应度和0.026 s的响应时间。在柔性衬底(云母)上制备的Ga 2 O 3 探测器不仅拥有与刚性器件可比拟的光探测性能,且在多种弯曲半径(平面/5/4.25/3.5 mm)(图d),甚至经历多个弯曲周期后,依然表现出稳定、可观的深紫外探测性能。器件出色的机械韧性主要归功于所打印Ga 2 O 3 超薄的厚度和高温退火诱导的高晶体质量及其对超薄云母衬底的强附着力。尽管光/暗电流比随温度升高而降低,其在250 ℃时仍保持在10 5 以上(图e),从而刷新高温(200 ℃及以上)Ga 2 O 3 光电探测器的最高记录。此外,得益于所有像素的高均匀性,该打印法柔性Ga 2 O 3 探测器阵列(4×4)表现出高对比度的成像效果(图f)。

  研究者相信,这项工作为制备用于极端环境深空探索和可穿戴电子应用的高性能柔性耐高温深紫外光电探测器提供了一种高通量和低成本的优选策略。相关论文在线发表在 Advanced Optical Materials 上。

  Advanced Optical Materials创刊于2013年,是一本报道材料科学领域与光-物质相互作用相关的突破性研究的跨学科国际期刊。其收录论文的研究领域包括光子学、等离激元光子学、超材料等。2021年影响因子为9.926。

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