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科研人員獲得光控增強和熱電子光電流快速穩定的Au/TiO2全光輸入晶體管
文章来源: 夏凯 发布时间: 2021-09-10

  近期,中科院闲来麻将固體所科研人員在可見-近紅外光電探測研究方面取得進展,獲得了光控增強和熱電子光電流快速穩定的Au/TiO2全光输入晶体管。相关结果以“All-Optical-Input Transistors with Light-Controlled Enhancement and Fast Stabilization of Hot-Electron Photocurrent”为题发表在Journal of Physical and Chemistry C上。

  前期,固體所科研人員提出了一種新型的晶體管:多孔的Ag/TiO2全光输入晶体管。与传统的光电晶体管利用电驱动来控制光电流不同,该晶体管采用一束紫外光来调控由近红外光照射而激发的热电子光电流。通过控制紫外光的功率密度,使近红外光产生的电信号提高数倍至百倍(Adv. Funct. Mater., 28,40, 1802288 (2018))。但当紫外光打开或关闭时,晶体管的光电流增强和恢复过程极其缓慢,需要近十分钟才能稳定,且晶体管的制造工艺复杂、重复性差,限制了全光输入晶体管的应用。

    基于此,团队科研人员采用简单的溶胶凝胶法制备了致密的TiO2薄膜並構築了Au/TiO2全光輸入晶體管(圖1a插圖)。該晶體管引入紫外光PG來調節近紅外光PS激發的熱電子光電流(圖1a)。通過采用不同功率密度的紫外光對紅外光産生的熱電子電流進行調控,紅外光激發的熱電子電流被放大十幾倍(圖1b),同時,響應速度顯著提升(圖1c)。

       進一步研究表明,這主要是因爲紅外光産生的熱電子電流受到了Au和TiO2之間肖特基勢壘的阻擋,導致光電流較小(圖2a)。紫外光可以在TiO2中激發帶間躍遷,産生電子-空穴對,促使TiO2表面吸附的氧發生脫附,從而降低Au與TiO2之間的肖特基勢壘高度,促使更多的熱電子越過勢壘,形成光電流(圖2b)。另一方面,紫外光激發的光生載流子填充TiO2中的陷阱,減少了陷阱對熱電子的捕獲,因此響應速度明顯提升(圖2b)。

  此外,研究發現,改變紫外光的功率密度可以改善熱電子電流的穩定過程(圖3a和3b),適當的增大會促使光電流迅速達到穩定狀態(圖3b-d)。該工作有效推進了具有放大、開關、調制功能的全光輸入晶體管的實用化進程。

  上述研究得到了國家自然科學基金項目的資助。

  文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c03364。

 

  图1. (a)紫外光(Gate光)调制下晶体管输出的由红外光(Source光)产生的热电子光电流的I-t曲线(插图为晶体管的工作示意图);(b)不同功率密度的紫外光(PG)和红外光(PS)照射到晶体管上后输出的电流;(c)在有紫外光和没有紫外光作用下,红外光照射下的I-t响应曲线。

    

  图2. (a)只有红外光照射时,热电子越过势垒的示意图;(b)紫外光照射下热电子越过势垒的示意图。

 

  图3. 紫外光对红外光产生的热电子光电流增强和恢复稳定过程的影响。(a,b)在不同功率密度的紫外光作用下,热电子光电流的I-t曲线;(c)热电子光电流稳定的增强时间τenh和(d)恢复时间τrec随着紫外光功率密度的变化趋势。

   
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