收藏本站 | 设为首页

宁波工程学院杨为佑团队
在SiC低维材料领域获持续研究进展

发布时间:2020-05-21 阅读数:2308

近几年,宁波工程学院杨为佑团队围绕SiC低维材料生长控制、原位掺杂、物性强化3个共性问题开展了较为系统的研究,相关进展有望为高效SiC光电器件研发奠定一定的科学基础。

该研究持续获得浙江省杰出青年科学基金(R4100242)、浙江省自然科学基金(LQ17E020002、Y18F040022、LY20E020009、GJ20E020002)的支持。

研究发现,第三代半导体具有宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点,拥有第一、第二代半导体材料无法比拟的优点,可突破前两代半导体因自身性能限制而导致的应用技术发展瓶颈,成为“超越摩尔定律”的首选。SiC和GaN作为第三代半导体双雄,其器件有望成为推动电力电子、光电子和微波射频三大领域效率提升和技术升级的关键动力之一。其中,SiC低维材料拥有远优于体材料的物性,且有利于器件的微型化和集成化,为新一代光电器件研发提供了契机。为了推动SiC光电器件的发展,低维材料生长的有效控制(包括结构和掺杂)及其物性强化,是共性基础问题。研究进展主要包括:

一、SiC低维材料生长控制

SiC以Si-C强化学键结合,其生长一般需要1200℃以上高温,且低维材料生长受微观环境影响显著,难于控制。已有的技术如模板法、碳热还原法、化学气相沉积、水热和溶剂热法等。因此,发展SiC低维材料可控生长的材料制备科学,赋予其功能导向的预期精细微结构,是SiC高效光电器件研发需要实现的目标。

围绕上述问题,杨为佑团队提出了“溶解度调控催化剂液滴尺寸”的新想法。依据催化剂尺寸限域原理,鉴于催化剂液滴溶解度越高尺寸则越大,所生长的SiC低维材料尺寸则越大的情况,该团队发展了SiC低维材料限域生长精细控制原理和方法,通过设计和优化控制热解温度、降温速度、催化剂种类、保温时间等关键工艺参数,实现了Si和C元素在催化剂液滴中溶解度的调控,进而实现对催化剂液滴尺寸的有效控制,达到SiC低维材料生长的精细控制效果(如图1所示)。

同时,提出了通过调控预掺杂元素溶解度实现SiC低维材料原位掺杂调控的新途径:预掺杂元素在催化剂液滴中溶解度越高,形成置换固溶体实现原位掺杂的浓度就越高。据此原理,该团队较为系统地实现了SiC低维材料原位n和p型掺杂及其掺杂类型/浓度调控(图2)。此外,通过第一性原理计算,明晰了掺杂对SiC能带结构调控机理(图3):p型掺杂(如Al掺杂)能够提高SiC费米能级附近的电子态密度,而n型掺杂(如P掺杂)则将费米能级往真空能级调制,降低功函数。

图1. SiC低维材料生长控制

图2. SiC低维材料的可控掺杂

图3.掺杂调控SiC低维材料能带结构的机理

二、SiC光电器件研发

SiC场发射阴极:提出了集调控能带、局域场增强效应和增加电子发射点等多种技术于一体,实现SiC低维材料电子发射能力大幅度强化的策略(理论模型如图4所示),进而实现了迄今国际最低开启电场(0.47 V/μm)、优异电子发射稳定性(连续20小时电流不衰减)、良好柔韧性(200次弯曲后结构和性能无变化)、胜任500℃高温稳定服役等综合性能最优的SiC场发射阴极研发,在真空电子和平板显示等领域,具有潜在的应用前景。

图4. SiC低维材料电子发射特性强化

SiC压力传感器:提出了集表面效应、尺寸效应和能带调控于一体,实现SiC低维材料电阻特性的强化策略。据此,首次发现了SiC低维材料巨压阻效应,将其压阻因子从最低的4.5提高至620,是现有SiC材料被报道最高值的10倍(图5),为高灵敏SiC压力传感器的研发提供了探索方向。

图5. SiC低维材料压阻特性强化

SiC光电探测器:提出了集表面效应和能带调控于一体,实现SiC低维材料紫外光电探测特性的强化策略。采用有机前驱体热解,通过工艺的优化,实现了B掺杂SiC纳米带的生长及其掺杂调控,达到了形貌控制和能带调控的协同强化效果,其光电探测响应度为6.37×105A·W-1,为具有优异光电探测性能兼具高温长效稳定性的SiC光电器件研发(300°C下稳定工作半年,如图6所示),提供了一定的技术参考。

图6. SiC纳米带光电探测特性的高温长效稳定性

SiC超级电容器:提出了电极材料单晶一体化概念,将活性物质和集流体设计集成为单晶结构,有效解决高温服役时两者因热膨胀系数差而导致易开裂/剥落的问题。所设计的SiC纳米管阵列单晶一体化电极,能够集第三代半导体SiC优异稳定性(胜任高/低温、大功率等苛刻环境)、电极单晶一体化设计(抑制活性物质与集流体间的开裂/剥落)、掺杂改性(调控电导率)、结构调控(获得更高活性比表面积)和阵列有序结构构筑(强化离子扩散路径)等多种方法于一体,达到综合性能的有效强化效果,其比电容为14.8 mF cm-2(10 mV s-1),在-10°C、60°C、-10°C与60°C交替循环11000次,其电容保留率均高于95%(图7),在面向宽温稳定服役的能源器件应用上,展现出可期的应用前景。

图7.单晶一体化SiC电极材料的宽温电化学特性

上述代表性工作近些年先后发表在Energy Storage Mater., 2020, 7: 13384、Adv.Energy Mater., 2019, 9: 1900073、Adv. Funct. Mater., 2019, 29: 1806250、Mater. Horiz., 2018, 5: 883、Adv. Sci., 2016, 3: 1500256、NPG Asia Mater., 2015, 7: e157。该团队所开展的系列研究中,累计10个工作被SCI一区Top期刊选为封面论文作为研究亮点进行报道(图8),近2年来连续在国际综述类顶刊Prog. Mater. Sci.(IF: 23.7),分别聚焦“SiC一维材料”和“一维介孔纳米材料”领域发表长篇综述论文(图9,分别发表在:Prog. Mater. Sci.,2019, 104: 138[第一作者为陈善亮副教授]、Prog. Mater. Sci.,2020, 113: 100671[第一作者为侯慧林副教授])。

图8. 杨为佑团队所发表的封面论文

图9.杨为佑团队为Prog. Mater. Sci.撰写的2篇综述论文首页


资料来源:宁波工程学院

 
隐私声明 | 版权声明
主办单位: 浙江省自然科学基金委员会
最佳使用效果: 1024*768分辨率/建议使用IE7.0或以上
浙ICP备05015677号