逻辑光电子器件:用门操纵光电转换

作为信息的载体,光和电无时无刻不在影响我们的生活。光和电具有不同的特征:光是自然界传输最快的物质;电可以用来操纵信息,具有逻辑运算的本领。如何充分借助光和电的不同性能,发展具有快速信息处理能力的新型纳米器件,成为一个非常有意义和值得探索的课题。p-n结是连接光和电的桥梁。利用这种结构,可以方便快速的实现光和电之间的相互转变。在传统的半导体材料中,p-n结主要由掺杂产生,一旦形成之后,就不能动态的实现p-n结与非p-n结之间的转变,也就使其失去了逻辑运算功能,这将会限制传统p-n结的功能和应用领域。

新材料和新的物理性能的不断发现,为设计制备具有新的原理和工作机制的新型纳米器件提供了无限可能。自从被发现以来,以石墨烯等为代表的二维晶体及其所具有的优异物理性能引起了多个领域科学家们的广泛关注。这些新材料及其所负载的多种物理性能,为发展柔性透明低能耗高性能的半导体器件提供了可能。

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同济大学物理科学与工程学院张增星课题组长期致力于新型纳米器件的设计及其物理性能的研究。近来,他们利用双极性二维晶体的特殊物理性能,设计制备了一种可以逻辑调控的新型p-n结结构,并进一步发展了逻辑整流和逻辑光电子器件。研究结果表明,通过门电压的调控,这种新型结构可以在p-n结与非p-n结之间逻辑变化。由于p-n结与非p-n结具有不同的整流和光电转换性能,通过门电压的操纵,可以实现器件结构在整流和光电转化方面的逻辑运算功能。对于逻辑整流器件,通过门电压的操纵,可以实现沟道层在不同整流状态之间的转变;对于逻辑光电子器件,通过门电压的操作,可以实现器件在不同光电转换状态之间的逻辑变化。这种新型器件结构可以用于交流电路的逻辑运算,也可以用在光电子集成电路里,使其具有逻辑运算的功能。特别是后者,可以大大简化光电互联电路的结构和增强其功能,推动光电互联集成电路的应用。相关工作近期发表在Small(DOI:10.1002/smll.201603726)上。