圖1. 石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)示意圖

課題組基于石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)薄膜首次實現(xiàn)了全碳寬譜光探測器。針對目前石墨烯基光探測器響應度低和碳納米管薄膜探測器響應速度慢的問題，課題組利用碳納米管photogatting效應實現(xiàn)了105的光導增益，在保持寬譜響應（400-1550 nm）的情況下，實現(xiàn)了器件高響應度（>100 A/W）與高響應速度（104 Hz）的協(xié)同優(yōu)化，見圖2。該研究也首次將基于二維材料的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)（van der Waals heterostructures）擴展到了1D/2D復合結(jié)構(gòu)，為研究范德華異質(zhì)結(jié)中基于量子局限效應的新奇物理現(xiàn)象提供了一個全新的平臺。相關成果以Planar carbon nanotube-graphene hybrid films for high-performance broadband photodetectors為題發(fā)表于國際權威期刊《自然-通訊》(Nature communications 6, 8589, (2015))。

 

圖2. (a) 石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)薄膜器件響應度隨光功率的函數(shù)關系；(b) 器件的響應速度；(c) 器件的可見光-近紅外波段光響應

緊接著，課題組通過光電流表征結(jié)合拉曼光譜統(tǒng)計學分析，研究了石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)界面處的載流子動力學，證實了全碳異質(zhì)結(jié)界面處載流子動力學與碳納米管的手性密切相關。研究發(fā)現(xiàn)，半導體型碳納米管/石墨烯異質(zhì)結(jié)：光照下，光生電子在內(nèi)建電場作用下向石墨烯轉(zhuǎn)移，形成光電流；而金屬型碳納米管/石墨烯異質(zhì)結(jié)，光電流的產(chǎn)生則是由于光照下石墨烯的熱效應引起的。相關成果以Charge transfer at carbon nanotube-graphene van der Waals heterojunctions為題發(fā)表于納米領域知名期刊《Nanoscale》(Nanoscale, 8, 12833, (2016))

 

圖3. (a) 碳納米管/石墨烯薄膜SEM；(b) 不同碳納米管/石墨烯界面處電荷轉(zhuǎn)移示意圖

全碳體系非凡的力學特性使其在柔性電子學領域具有極大的應用空間，課題組利用石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)薄膜在柔性襯底PET上面構(gòu)建晶體管，演示了器件在不同應力曲度下依然能夠保持很好的光電響應（響應度~50 A/W，響應速度~40 ms），見圖4。該工作證實了全碳材料體系具有良好的機械柔韌性，并且具有大面積集成的優(yōu)勢，在可穿戴器件領域具有潛在應用價值。相關成果以Graphene-carbon nanotube hybrid films for high performance flexible photodetectors為題發(fā)表于納米領域知名期刊《Nanoscale》(Nano Research 10, 1880, (2017))

 

圖4. (a) 全碳柔性器件示意圖；(b) 柔性器件的響應度函數(shù)，插圖為器件顯微鏡圖像；(c) 柔性器件的響應速度

近期，課題組在類神經(jīng)元器件方面也進行了探索。隨著科技的不斷發(fā)展，摩爾定律逐漸走向了它的物理極限，對于“類腦芯片”的研究越來越受到重視。與傳統(tǒng)計算機處理方式不同，神經(jīng)形態(tài)器件模擬生物大腦進行數(shù)據(jù)處理，因此在處理直覺（如模式、語音識別等）、非結(jié)構(gòu)化信息方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。作為類腦芯片的基礎，類突觸器件近年來獲得了廣泛關注并成為了該領域研究的焦點。然而，基于電激勵方式的傳統(tǒng)人工突觸器件的數(shù)據(jù)采集和神經(jīng)元運算是分離的，同時多數(shù)突觸器件由于其耦合因子固定，導致其突觸權重不易調(diào)控，這與生物體中突觸的可塑性具有明顯差異。這些因素制約了類腦芯片向更高維度智能的實現(xiàn)。基于此，課題組將光子引入神經(jīng)網(wǎng)絡，利用全碳異質(zhì)結(jié)薄膜成功實現(xiàn)了光激勵的新穎類突觸器件，模擬了短時程、長時程可塑性以及多通道光激勵信號的邏輯運算，見圖5，使其能夠有效模擬人的視覺神經(jīng)系統(tǒng)（兼具感光功能和光信號處理的一個復雜的神經(jīng)計算體系）。相關成果以A light-stimulated synaptic device based on graphene hybrid phototransistor為題發(fā)表于二維材料研究領域知名期刊《2D Materials》(2D Materials 4, 035022, (2017))

 

圖5.石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)構(gòu)類突觸器件 (a) 短時程 (b) 長時程物理機制及測試結(jié)果，通過背柵可調(diào)制類突觸器件的可塑性。

該系列工作以南京大學電子科學與工程學院、人工微結(jié)構(gòu)科學與技術協(xié)同創(chuàng)新中心為主要研究平臺，得到了張榮教授、徐永兵教授以及施毅教授的有力支持，并受到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、“青年千人計劃”、“江蘇省雙創(chuàng)團隊計劃”、“江蘇省杰出青年基金”等的資助。