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【CIOE动态】IEEE 光子学会主席 Chennupati Jagadish:用于光电子应用的半导体纳米线

2019-09-05 16:15:34来源:CIOE中国国际光app金沙新闻标签:IEEE 光子学会主席 Chennupati Jagadish:用于光电子应用的半导体纳米线

?Chennupati Jagadish:大家好,非常高兴来到这里,要感谢主办方到这里参加第 21届中国国际光电博览会。大家也可以看到我们产学研合作的平台,这对我们未来发展非常重要。我主要是讲光电子应用的半导体纳米技术,我在印度、中国一些机构都有职位,在以下大学也作为访问学者,在中国这边也有很多工作,这是第三次来到中国,11 月份我也会去成都,我希望在这里发展我们这个行业。IEEE 光电子方面吸收更多成员,特别是学生和科学家,我都非常感兴趣。

IEEE 光子学会主席 Chennupati Jagadish:用于光电子应用的半导体纳米线

为什么我们对纳米线感兴趣,为什么要讲光电子的应用。像这样一个晶圆级的氮化苯(音)还有 THz 调制器,我们希望通过这个纳米线可以用于神经元的生成。比如大脑中大脑结构功能之间的关系又是什么。我们希望通过这个纳米线去生长神经元,希望可以了解这方面更多的知识。

光电子有一个重点,就是硅。相关行业说要把它放到半导体里。需要有不同类型的半导体。半导体有很多应用,这些是用很多氮化镓等金属半导体。我有一个学生来自中国,去年我看过他们的半导体封装工程,有非常不错的进展。我们希望把光电子和硅基结合在一起,用于纳米线。纳米线被认为是下一代光电子的基础。

我们认为现在它的很多问题都不再成为问题。但这个材料最新的特质又是什么,纳米线又能够怎么应用它,它是不是能够以任何方式生产,在生产过程中有没有什么缺陷。它和硅结合放在半导体,可能纳米线就不在出现一些问题。纳米线有不同的机制去生长,还有不同结构可以让我们自由探讨。我们实验室可以通过在砷化镓上用锑化镓、砷化铟等等,或者用纳米膜。我们从纳米线转移到纳米膜,所以用纳米线的可能性非常大,尤其是在不同程度可以用起来,可以实现多层结构构架。

怎么生产纳米线呢?两个东西可以使用:VLS 和还有选择性区域外延。比如金的温度是几千度的熔点,但一旦有铝,合金熔点降到300-500 度左右。这是生产纳米线的好方法。纳米线就在这边,它会有生长,纳米线的直径是 50 纳米,它的结构是非常漂亮的,同时,我们会用到一个方法,选择性区域外延。这个不会用金属,而是用特别的二氧化硅的成像分子,再进行蚀刻,有一个硅层,最后的结果是非常好的。它可以借助气体,熔点温度是 690-750。我们获得一个自动纳米的成长,它是一个非常平均的纳米线的生长,看你选择什么东西,最后的结果也会不一样。它的纳米线是非常漂亮的,而且两个技术都可以用。最后结果不一样,一个是纳米线的直径 50 纳米,一个纳米线直径是 200 纳米。X 轴、Y 轴,X 轴是激发态功率密度,Y轴是量子效率。进行一个比较,基本两者都一样。这个系统差别并不大,表面差距也很少。最后的外延层才是真正的区别所在。

再看一下砷化镓的纳米线。它的温度不高,光谱表现也很棒,虽然纳米线很好,但它的纳米线光学表现一般。它表面的缺陷是个很大的问题。它会有表面活性的问题。表面活性问题最后带来最后结果的差别。这对于光电的应用不是好事情。

其实它的面积是非常高的。这种砷化镓纳米线,它的非辐射性表面的重组,所以量子效率比较低。这也是我们大家能期待到的。比如我们有一个朋友来自一个协会,他们就需要非常好质量、非常稳定但寿命短点没事。这是大家需要用它的情况,但不要用它用于激光,不然整个表面会有问题。这个纳米线温度增加到 750 度,看一下它有什么变化。在一个机器上除了砷化镓之外还有外面一层砷化铝镓,它很容易氧化,因为氧气容易跟里面的金属发生反应,这是它的结构。如果电子从外面进入,它可能会实现电子的捕捉,从而获得结构非常稳定的态势。这是纳米线成长出来的样子和切面。

这里有一个砷化镓的盖子,还有一个砷化铝镓的壳,核心还是砷化镓。这里是一个载体生命周期的增加,尤其是在 750 摄氏度时,能实现外壳的增加,变厚。它的纳米线生命周期就因为增加了砷化铝镓而变得更好。看它的生命周期,蓝线比红线长。

再讲一下纳米项目。这里有一个惊讶,这些纳米线会形成一个氧化锌晶格结构,所以非常稳健的结构。我们不知道它最后有一个怎么样的结果,但这种氧化锌晶格的结构是非常好的。我们会用光学分谱仪和质谱议进行衡量,最后获得这几个图片。我们可以看一下它的基本性能,同时也看一下它在搀了锌和没搀锌的情况下,立体结构,在氧的晶格框架下有怎么样不同的变化。我们找哪个纳米线有更好的性能,它的生命周期比较短,会用于特别快的应用场景。因为它更加稳定,可以用在生命周期时间比较长的。这个生命周期比较短,磷化铟。你要选择非常好的要求,一定要找到自己需要的品格,才能找到最好的生产技术。

深圳砷化镓纳米线激光,也是我一个学生的公司所做的产品。我这里讲到光电子的特性非常好。我不讲太多细节,给大家讲其中一个例子。

砷化镓纳米线激光,我们做了很多模拟,尤其是砷化镓纳米线的导引模式,它有 260纳米砷化镓的导线实验。可以看到它的波长变化,蓝色表示没什么反应,红色说明是比较高的强度。右边 X 轴上是苯(音)的强度,Y 轴上是输出的对数值,它非常好的阐述了光苯砷化镓纳米线激光的好处。它在室温也可以实现。

在这个案例中,不用做任何融合试验,将这个做一个实验,它各个窄光谱和宽光谱试验结果都是好的。这也是五年前发布的。这些纳米线用在什么地方呢?它可以用在光波长不超过 5 纳米的激光应用中。所以我的同事他们是来自于斯坦福大学,他们用了纳米级打印。首先讲激光连起来,再把它放在那边,一共 6 步,这样可以找到纳米层的所在,可以进行非常好的纳米级的打印。

再说 THz 的辐射,1THz 大概 300um。这里可以用到电子方面,它有很多特性。比如有很多辐射量,像很多人可以看到 THz 是非常神奇的,比如它可以穿越金属,可以用非离子化不离子化的特性可以进行更多应用。

比如也用于无线通信,从柜台下载信息等等,同时也可以用到水里,很多东西的容量是多少,浓度是多少,有很多很多应用。

最后两个应用题目,第一个是应用于太阳能的电池。另外一个话题,它可以用于大脑修复。大脑里有 800 多亿个神经元,这里可以看到这种神经元的网络是非常复杂的。如果大脑发生损伤会发生什么事情,我们打造了这样一个网络,这个网络受到损害,可以用到其中的一些功能,我们能怎样给它打个补丁。比如有障碍的人能够怎样帮他们补正。

我们在做的一个项目就是关于这方面的,不止这方面,也想了解更多信息。我们了解得更多才知道我们了解得很少,因为这方面的机制非常复杂。神经元尽管中间有受损,但整个路径还可以一直延续,还形成了非常不错的网络。

这里可以看到,纳米线可以追溯神经元路径,完美修复它,帮助它们生长,形成神经元之前的连接。我们想对比的是在纳米线上生长的神经元,它智能生长有哪些不一样。

我们认为这个纳米线给我们带来很多机会,纳米层及光物质相互作用,而且可以开发出新的激光、探测器、太阳能电池以及神经网络的生长都可以用。