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【CIOE動態】IEEE 光子學會主席 Chennupati Jagadish:用于光電子應用的半導體納米線

2019-09-05 16:15:34來源:CIOE中國國際光博會新聞標簽:IEEE 光子學會主席 Chennupati Jagadish:用于光電子應用的半導體納米線

 Chennupati Jagadish:大家好,非常高興來到這里,要感謝主辦方到這里參加第 21屆中國國際光電博覽會。大家也可以看到我們產學研合作的平臺,這對我們未來發展非常重要。我主要是講光電子應用的半導體納米技術,我在印度、中國一些機構都有職位,在以下大學也作為訪問學者,在中國這邊也有很多工作,這是第三次來到中國,11 月份我也會去成都,我希望在這里發展我們這個行業。IEEE 光電子方面吸收更多成員,特別是學生和科學家,我都非常感興趣。

IEEE 光子學會主席 Chennupati Jagadish:用于光電子應用的半導體納米線

為什么我們對納米線感興趣,為什么要講光電子的應用。像這樣一個晶圓級的氮化苯(音)還有 THz 調制器,我們希望通過這個納米線可以用于神經元的生成。比如大腦中大腦結構功能之間的關系又是什么。我們希望通過這個納米線去生長神經元,希望可以了解這方面更多的知識。

光電子有一個重點,就是硅。相關行業說要把它放到半導體里。需要有不同類型的半導體。半導體有很多應用,這些是用很多氮化鎵等金屬半導體。我有一個學生來自中國,去年我看過他們的半導體封裝工程,有非常不錯的進展。我們希望把光電子和硅基結合在一起,用于納米線。納米線被認為是下一代光電子的基礎。

我們認為現在它的很多問題都不再成為問題。但這個材料最新的特質又是什么,納米線又能夠怎么應用它,它是不是能夠以任何方式生產,在生產過程中有沒有什么缺陷。它和硅結合放在半導體,可能納米線就不在出現一些問題。納米線有不同的機制去生長,還有不同結構可以讓我們自由探討。我們實驗室可以通過在砷化鎵上用銻化鎵、砷化銦等等,或者用納米膜。我們從納米線轉移到納米膜,所以用納米線的可能性非常大,尤其是在不同程度可以用起來,可以實現多層結構構架。

怎么生產納米線呢?兩個東西可以使用:VLS 和還有選擇性區域外延。比如金的溫度是幾千度的熔點,但一旦有鋁,合金熔點降到300-500 度左右。這是生產納米線的好方法。納米線就在這邊,它會有生長,納米線的直徑是 50 納米,它的結構是非常漂亮的,同時,我們會用到一個方法,選擇性區域外延。這個不會用金屬,而是用特別的二氧化硅的成像分子,再進行蝕刻,有一個硅層,最后的結果是非常好的。它可以借助氣體,熔點溫度是 690-750。我們獲得一個自動納米的成長,它是一個非常平均的納米線的生長,看你選擇什么東西,最后的結果也會不一樣。它的納米線是非常漂亮的,而且兩個技術都可以用。最后結果不一樣,一個是納米線的直徑 50 納米,一個納米線直徑是 200 納米。X 軸、Y 軸,X 軸是激發態功率密度,Y軸是量子效率。進行一個比較,基本兩者都一樣。這個系統差別并不大,表面差距也很少。最后的外延層才是真正的區別所在。

再看一下砷化鎵的納米線。它的溫度不高,光譜表現也很棒,雖然納米線很好,但它的納米線光學表現一般。它表面的缺陷是個很大的問題。它會有表面活性的問題。表面活性問題最后帶來最后結果的差別。這對于光電的應用不是好事情。

其實它的面積是非常高的。這種砷化鎵納米線,它的非輻射性表面的重組,所以量子效率比較低。這也是我們大家能期待到的。比如我們有一個朋友來自一個協會,他們就需要非常好質量、非常穩定但壽命短點沒事。這是大家需要用它的情況,但不要用它用于激光,不然整個表面會有問題。這個納米線溫度增加到 750 度,看一下它有什么變化。在一個機器上除了砷化鎵之外還有外面一層砷化鋁鎵,它很容易氧化,因為氧氣容易跟里面的金屬發生反應,這是它的結構。如果電子從外面進入,它可能會實現電子的捕捉,從而獲得結構非常穩定的態勢。這是納米線成長出來的樣子和切面。

這里有一個砷化鎵的蓋子,還有一個砷化鋁鎵的殼,核心還是砷化鎵。這里是一個載體生命周期的增加,尤其是在 750 攝氏度時,能實現外殼的增加,變厚。它的納米線生命周期就因為增加了砷化鋁鎵而變得更好。看它的生命周期,藍線比紅線長。

再講一下納米項目。這里有一個驚訝,這些納米線會形成一個氧化鋅晶格結構,所以非常穩健的結構。我們不知道它最后有一個怎么樣的結果,但這種氧化鋅晶格的結構是非常好的。我們會用光學分譜儀和質譜議進行衡量,最后獲得這幾個圖片。我們可以看一下它的基本性能,同時也看一下它在攙了鋅和沒攙鋅的情況下,立體結構,在氧的晶格框架下有怎么樣不同的變化。我們找哪個納米線有更好的性能,它的生命周期比較短,會用于特別快的應用場景。因為它更加穩定,可以用在生命周期時間比較長的。這個生命周期比較短,磷化銦。你要選擇非常好的要求,一定要找到自己需要的品格,才能找到最好的生產技術。

深圳砷化鎵納米線激光,也是我一個學生的公司所做的產品。我這里講到光電子的特性非常好。我不講太多細節,給大家講其中一個例子。

砷化鎵納米線激光,我們做了很多模擬,尤其是砷化鎵納米線的導引模式,它有 260納米砷化鎵的導線實驗。可以看到它的波長變化,藍色表示沒什么反應,紅色說明是比較高的強度。右邊 X 軸上是苯(音)的強度,Y 軸上是輸出的對數值,它非常好的闡述了光苯砷化鎵納米線激光的好處。它在室溫也可以實現。

在這個案例中,不用做任何融合試驗,將這個做一個實驗,它各個窄光譜和寬光譜試驗結果都是好的。這也是五年前發布的。這些納米線用在什么地方呢?它可以用在光波長不超過 5 納米的激光應用中。所以我的同事他們是來自于斯坦福大學,他們用了納米級打印。首先講激光連起來,再把它放在那邊,一共 6 步,這樣可以找到納米層的所在,可以進行非常好的納米級的打印。

再說 THz 的輻射,1THz 大概 300um。這里可以用到電子方面,它有很多特性。比如有很多輻射量,像很多人可以看到 THz 是非常神奇的,比如它可以穿越金屬,可以用非離子化不離子化的特性可以進行更多應用。

比如也用于無線通信,從柜臺下載信息等等,同時也可以用到水里,很多東西的容量是多少,濃度是多少,有很多很多應用。

最后兩個應用題目,第一個是應用于太陽能的電池。另外一個話題,它可以用于大腦修復。大腦里有 800 多億個神經元,這里可以看到這種神經元的網絡是非常復雜的。如果大腦發生損傷會發生什么事情,我們打造了這樣一個網絡,這個網絡受到損害,可以用到其中的一些功能,我們能怎樣給它打個補丁。比如有障礙的人能夠怎樣幫他們補正。

我們在做的一個項目就是關于這方面的,不止這方面,也想了解更多信息。我們了解得更多才知道我們了解得很少,因為這方面的機制非常復雜。神經元盡管中間有受損,但整個路徑還可以一直延續,還形成了非常不錯的網絡。

這里可以看到,納米線可以追溯神經元路徑,完美修復它,幫助它們生長,形成神經元之前的連接。我們想對比的是在納米線上生長的神經元,它智能生長有哪些不一樣。

我們認為這個納米線給我們帶來很多機會,納米層及光物質相互作用,而且可以開發出新的激光、探測器、太陽能電池以及神經網絡的生長都可以用。


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