肖特基红外热电子光电探测机理与关键技术研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61875143
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0513.微纳光子学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Infrared photodetections have very extensive applications in military, aerospace and civilian uses. At present, the most widely used photodetectors are based on the semiconductor quantum-well or quantum-dot structures. However, such devices are complex and costly in fabrication and require extremely-low-temperature refrigeration. Exploring new types of infrared photodetection technologies with the characteristics of simple and room-temperature operation is an important way to realize the highly efficient, compact, and low-cost infrared photodetectors. In this project, with introducing the hot-electron photoconversion mechanism and the plasmonic/surface-wave optical resonances to target the infrared (especially mid-infrared) spectral band, we study the nanowire (nanohole) array and planar multi-layer structure with Schottky electrical configuration to manipulate the incident light field and intrinsic carrier behaviors, in order to realize the infrared hot-electron photodetector with high absorption and high photoresponsivity. In this project, we will extensively study the impedance-match by nanowire (nanohole) array, Tamm plasmons, optical surface waves, and optical interference by ultra-thin film in order to achieve the highly tunable narrowband (broadband) infrared photodetectors. Based on the fundamental physics and quantum optics, the project will study the internal electromagnetic characteristics and the detailed generation, transport, recombination, and collection processes of hot electrons, investigate the scientific principles, and realize the optimal designs of the optoelectronic performance. Finally, the preparation, characterization, and photoelectric measurement of proposed devices will be conducted. This project is expected to provide new technical options for infrared photodetections and it will promote the development of the non- refrigeration infrared photodetection technologies.
红外光探测在军事、航天和民用等领域应用广泛。目前为止,多采用量子阱甚至量子点等结构进行红外探测,但其工艺复杂、成本高,且需超低温制冷运行。研究结构简单、室温工作的红外光探测新技术是实现高效能、轻便化和低成本的重要途径。本课题引入基于肖特基结和表面等离子/表面波共振的热电子光电转换机制,针对红外(尤其中红外)波段,研究利用肖特基结纳米线(孔)阵列和平面结构实现对入射光场和载流子行为的精确调控和优化,实现高吸收、高响应度非制冷红外光电探测。课题系统研究纳米线(孔)阵列导纳匹配、Tamm等离子、光学表面波和超薄介质膜共振等机制,设计针对红外波段可调的窄(宽)带光电探测。课题从基本物理光学、量子力学入手,研究系统内在电磁特征和热电子产生、输运、湮灭和收集等微观过程,解析科学原理、实现光电性能的优化调控,并开展制备、表征和测试。本课题可为红外光电探测提供新颖技术手段,推动非制冷红外探测技术的发展。

结项摘要

本课题研究的肖特基红外热电子光电探测器通过金属与半导体接触形成的肖特基结来收集金属吸收光子后产生的高能量热载流子,拓展了传统半导体光电探测器的可探测波长范围。然而,较低的热电子光电转换效率和复杂的金属微纳结构导致器件成本高和难以大面积制备等问题,阻碍了热电子红外光电探测器的实际应用。本研究基于第一性原理计算和蒙特卡罗模拟,研究了二维层状过渡金属碳、氮化物在热电子器件中的应用;研究了不同应变对金属电子结构的调控和对热载流子产生、传输性能的影响;探索了热电子和热空穴器件的热力学损耗分析和性能极限;在基于等离激元纳米结构的热电子光电探测器理论和研究方面:提出并制备了基于金属纳米圆柱阵列、纳米孔和纳米碗阵列结构的热电子光电探测器,实现了超宽带、偏振不敏感的广角高吸收和热电子光电探测。在基于平面结构的热电子光电探测器方面,提出包括将塔姆等离子和双腔结构引入到热电子光电转换中,不仅简化了器件结构,还获得了更高的热电子光电转换性能。进一步地从理论和实验上验证了一个简单的平面双层系统就可以实现光学完美吸收,并探讨了双层系统在宽带热载流子光电探测中的应用。最后对热载流子光电探测研究的三个重要方面进行了详细介绍和展望,包括金属微纳结构中的热载流子产生、传输和注入过程;热载流子器件的热力学损耗分析以及新材料、新结构实现器件性能的突破;热载流子光电探测器在纳米显微成像、圆偏振光检测和折射率传感等领域的应用。

项目成果

期刊论文数量(47)
专著数量(0)
科研奖励数量(3)
会议论文数量(0)
专利数量(18)
Thermodynamic loss mechanisms and strategies for efficient hot-electron photoconversion
高效热电子光转换的热力学损失机制和策略
  • DOI:
    10.1016/j.nanoen.2018.10.051
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Nano Energy
  • 影响因子:
    17.6
  • 作者:
    Cheng Zhang;Guoyang Cao;Shaolong Wu;Weijia Shao;Vincenzo Giannini;Stefan A. Maier;Xiaofeng Li
  • 通讯作者:
    Xiaofeng Li
Single-nanowire silicon photodetectors with core-shell radial Schottky junction for self-powering application
用于自供电应用的具有核壳径向肖特基结的单纳米线硅光电探测器
  • DOI:
    10.1063/5.0046096
  • 发表时间:
    2021-04-12
  • 期刊:
    APPLIED PHYSICS LETTERS
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Guan, Yuxiang;Cao, Guoyang;Li, Xiaofeng
  • 通讯作者:
    Li, Xiaofeng
Efficient Flexible Perovskite Solar Cells with Reduced Hysteresis Employing Cobalt Nitrate Treated SnO 2
采用硝酸钴处理的 SnO 2 降低磁滞的高效柔性钙钛矿太阳能电池
  • DOI:
    10.1002/solr.202200210
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Solar RRL
  • 影响因子:
    7.9
  • 作者:
    Donghui Wu;Zhenhai Ai;Sheng Li;Junjun Chen;Yue Zhao;Tianshu Ma;Huayang Wang;Changlei Wang;Xiaofeng Li
  • 通讯作者:
    Xiaofeng Li
Planar Dual-Layer System for Ultra-Broadband Absorption and Hot-Carrier Photodetection in Longwave Near-Infrared Band
用于长波近红外波段超宽带吸收和热载流子光电探测的平面双层系统
  • DOI:
    10.1109/jstqe.2021.3069495
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics
  • 影响因子:
    4.9
  • 作者:
    Zhang Cheng;Liu Tingting;Li Liang;Wu Shaolong;Wang Chinhua;Li Xiaofeng
  • 通讯作者:
    Li Xiaofeng
2D MXenes for Hot‐Carrier Photodetection
用于热载流子光电检测的 2D MXene
  • DOI:
    10.1002/adom.202201153
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Adv. Opt. Mater.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xiaofeng Li;Cheng Zhang;Xiaofeng Li
  • 通讯作者:
    Xiaofeng Li

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其他文献

组蛋白甲基化酶SMYD3在前列腺癌组织的表达及对mTOR通路的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    山东大学学报(医学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    夏传友;李路超;李孝峰;颜克强;张念昭;范医东;刘承
  • 通讯作者:
    刘承
小檗碱对人肾细胞癌细胞增殖、凋亡、DNA断裂及损伤修复的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018-03
  • 期刊:
    山东大学学报(医学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李孝峰;杜晓益;刘海南;刘承;范医东
  • 通讯作者:
    范医东
自发辐射因子对多次外光反馈下VCSELs非线性动态特性的影响
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    光电子芳す?pubY=2004
  • 影响因子:
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  • 作者:
    李孝峰;潘炜;罗斌;邓果;赵峥
  • 通讯作者:
    赵峥
非即变相位共轭反馈下LD动态特性的研究
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    光学学报.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张伟利;潘炜;罗斌;邓果;李孝峰
  • 通讯作者:
    李孝峰
理论研究电流注入对垂直腔面发射激光器多横模行为的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    光学技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李孝峰;潘炜;罗斌;马冬
  • 通讯作者:
    马冬

其他文献

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李孝峰的其他基金

室温自驱动红外光电探测材料、机理与器件联合研究
  • 批准号:
    62120106001
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    252 万元
  • 项目类别:
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基于平面多层结构的热电子光电转换理论与器件研究
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    61675142
  • 批准年份:
    2016
  • 资助金额:
    60.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
金属微纳结构α-Si:H/μc-Si:H双结薄膜太阳能电池研究
  • 批准号:
    91233119
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    80.0 万元
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    重大研究计划
单结与多结光伏器件频域和三维空间光学电学仿真
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  • 批准年份:
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    青年科学基金项目

相似国自然基金

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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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