基于平面多层结构的热电子光电转换理论与器件研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61675142
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0502.光子与光电子器件
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Surface-plasmon-based hot-electron photoconversion and photodetection are hot research topics in recent years, due to the benefits of high energy localization, high tunability, and the ability of breaking the limitation of semiconductor bandgaps for infrared or longer-wavelength photodetections. However, the conventional systems are usually composed by the complicated micro-nano structures, with a high fabrication complexity and a high cost. In this project, we propose the simplified hot-electron photoconversion systems composed solely by multiple planar films by deeply exploiting the planar resonant mechanisms and structures. By doing so, the system configuration can be significantly simplified and simultaneously the photoconversion performance can be improved. Based on the core MIM (metal-insulator-metal) structure of hot-electron photoconversion, the new cavities with TAMM surface state and micro-cavity resonances are introduced. Through modulating the photonic crystal properties of the multi-planar-film system, the efficient, narrow-band, and wide-angle harvesting of the incident photon energy can be realized. We further establish the comprehensive mathematical, physical and simulation models for the new system to mimic the generation, transportation, dissipation, and collection procedures of the hot electrons, in order to predict and optimize the optical absorption and photoconversion performance of the system. Finally, the fabrication, characterization, and testing of the designed photoconversion devices are performed, in order to find the stable and simplified fabrication schemes. The successful implementation of this project can promote the understanding of the basic mechanisms of hot-electron photoconversion devices as well as contribute the novel designs and fabrications of these devices.
基于表面等离子微纳调控的热电子光电转换与探测是近年研究热点,它具备极强的能量局域和谐振可调性,可突破传统半导体禁带限制实现红外甚至更远波段的光电转换。然而,复杂的微纳结构往往使系统制备困难、工艺成本高。本项目通过深入挖掘平面谐振机制和结构,构建多层平面结构热电子光电转换系统,在简化系统的同时提升光电转换性能。项目将在MIM(金属-绝缘体-金属)热电子光电转换结构的基础上,引入TAMM表面态和微谐振腔等平面结构,通过调控平面多层系统的光子晶体能带属性,实现对入射光子能量的高效、窄带和广角局域。进一步地,构建完整的热电子产生、输运、湮灭和收集过程的严格数学、物理和仿真模型,理清这些微观行为的物理成因,预测并优化系统的吸收和光电转换性能。在此基础上,开展器件制备、表征和光电性能测试,探索稳定、易行的制备工艺手段和流程。本项目的成功实施可促进对热电子光电转换机制的理解,获得新颖的设计制备方案。

结项摘要

热电子光电转换与探测是近年研究热点,它具备极强的能量局域和谐振可调性,可突破传统半导体禁带限制实现红外甚至更远波段的光电转换。然而,复杂的微纳结构往往使系统制备困难、工艺成本高。本项目通过深入挖掘平面谐振机制和结构,构建了多层平面结构热电子光电转换系统,在简化系统的同时提升了光电转换性能。项目在MIM(金属-绝缘体-金属)热电子光电转换结构的基础上,引入TAMM表面态和微谐振腔等平面结构,通过调控平面多层系统的光子晶体能带属性,实现了对入射光子能量的高效、窄带和广角局域。其中,提出的超薄膜双势垒系统可达152.9 mA/W的响应度和60%的外量子效率,相对于常规系统提高了近两个数量级。进一步地,构建了完整的热电子产生、输运、湮灭和收集过程的严格数学、物理和仿真模型,理清了这些微观行为的物理成因,预测并优化了系统的吸收和光电转换性能。在此基础上,开展了器件制备、表征和光电性能测试,探索稳定、易行的制备工艺手段和流程。本项目促进了对热电子光电转换机制的理解,获得了一系列新颖的设计和制备方案,为热电子光电探测奠定了重要的理论和实验基础。

项目成果

期刊论文数量(34)
专著数量(0)
科研奖励数量(2)
会议论文数量(0)
专利数量(13)
Schottky hot-electron photodetector by cavity-enhanced optical Tamm resonance
腔增强光学塔姆共振肖特基热电子光电探测器
  • DOI:
    10.1063/1.4973644
  • 发表时间:
    2017-01-02
  • 期刊:
    APPLIED PHYSICS LETTERS
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Li, Runfeng;Zhang, Cheng;Li, Xiaofeng
  • 通讯作者:
    Li, Xiaofeng
Photovoltaic Devices: Opto-Electro-Thermal Physics and Modeling
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  • DOI:
    10.1002/adma.201603492
  • 发表时间:
    2017-02-01
  • 期刊:
    ADVANCED MATERIALS
  • 影响因子:
    29.4
  • 作者:
    Shang, Aixue;Li, Xiaofeng
  • 通讯作者:
    Li, Xiaofeng
Physical manipulation of ultrathin-film optical interference for super absorption and two-dimensional heterojunction photoconversion
用于超吸收和二维异质结光转换的超薄膜光学干涉的物理操纵
  • DOI:
    10.1088/1674-1056/27/12/124202
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Chinese Physics B
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Cao Guo-Yang;Zhang Cheng;Wu Shao-Long;Ma Dong;Li Xiao-Feng
  • 通讯作者:
    Li Xiao-Feng
Physics and Optoelectronic Simulation of Photodetectors Based on 2D Materials
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  • DOI:
    10.1002/adom.201900410
  • 发表时间:
    2019-05
  • 期刊:
    Advanced Optical Materials
  • 影响因子:
    9
  • 作者:
    Cao Guoyang;An Yidan;Bao Qiaoliang;Li Xiaofeng
  • 通讯作者:
    Li Xiaofeng
Optoelectronic insights into the photovoltaic losses from photocurrent, voltage, and energy perspectives
从光电流、电压和能量角度对光伏损失的光电洞察
  • DOI:
    10.1063/1.4990288
  • 发表时间:
    2017-08
  • 期刊:
    AIP Advances
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Shang Aixue;An Yidan;Ma Dong;Li Xiaofeng
  • 通讯作者:
    Li Xiaofeng

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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