蘇州大學張曉宏課題組Advanced?Materials：柔性透明單晶硅框架材料

【研究背景】

硅材料是最重要的半導體材料之一，具有出色的光學、電學特性。在過去數十年里，單晶硅材料的發展促進了半導體產業的繁榮和現代社會的發展。例如，硅晶片的大規模生產促進了太陽能電池的發展，現已成為清潔能源領域的最主要產品。通過微加工技術進行圖案化的單晶硅是集成電路（IC）和微機電系統（MEMS）的基礎，這些技術已將世界帶入了信息化和智能化的時代。近年來，具有獨特的光學，電學和機械特性的硅微納材料在光子學，能量轉換和生物醫學應用中也顯示出巨大的潛力。可以預期單晶硅材料的創新將對許多新領域帶來革命。具有柔性、透明等新穎特性的器件是下一代光電子的發展趨勢，盡管單晶硅材料是商業化芯片、各類傳感器上廣泛應用的出色的活性材料，但由于常用硅晶圓剛性，脆性和不透明性的特點，它們并不適用于制造柔性透明器件。

【文章簡介】

有鑒于此，蘇州大學的張曉宏教授課題組通過結合濕法蝕刻和微加工技術，以普通硅晶片為原材料，設計并制備了一種新型的硅微結構，稱為單晶硅框架結構（sc-SiFs，single-crystalline?silicon frameworks）。單晶硅框架是一種自支撐、柔性、輕質、可剪裁的新型單晶硅材料，其對所有波長的可見光都是高度透明。通過合理設計結構參數其透明度可高達96％。單晶硅框架為高性能透明柔性光電器件提供了新的平臺。作為應用實例，在該論文中，單晶硅框架被用于構筑了透明柔性光電探測器，與其他報道的器件相比，硅基透明柔性光電探測器在響應速度，響應度和比探測率等方面都非常突出。而且這也是首個無基底、自驅動的透明柔性光電探測器，這個特點對集成應用非常有利，不僅有利于減少集成系統的體積和重量，而且也避免了襯底吸光對系統中光學器件的性能影響。單晶硅網格材料的制備為開發面向下一代光電子的高性能硅基透明柔性器件奠定了材料基礎。

相關成果以“Single-Crystalline Silicon Frameworks: A New Platform for Transparent Flexible Optoelectronics”為題發表在國際著名期刊Advanced?Materials上，蘇州大學功能納米與軟物質研究院的揭建勝教授為論文的共同通訊作者。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202008171

【圖文導讀】

1. 大面積單晶硅框架結構(sc-SiFs)的制備

圖1：（a）從硅晶片到sc-SiFs的制備過程示意圖。（b）用鑷子彎曲的sc-SiFs的照片。（c）裁剪為不同形狀sc-SiFs的照片：圓形，正方形和三角形。（d，e）sc-SiFs在不同放大倍數下的俯視SEM圖像。（f）sc-SiFs 45°傾斜角的SEM圖像。

2. sc-SiFs機械性能分析

圖2：（a）對厚度為20μm，彎曲半徑為0.5 mm的sc-Si樣品內部應變分布進行有限元分析（FEA）。（b）分別在3 mm，5 mm和10 mm的不同彎曲半徑下計算出的峰值應變與樣品厚度的關系圖。（c）對于厚度分別為20μm，40μm和60μm的樣品，計算出的峰值應變與彎曲半徑的關系圖。（d）在鑷子之間彎曲的厚度為20μm的sc-SiFs的照片。（e）蒲公英上的一片sc-SiFs的照片。

3. sc-SiFs透明度與結構參數之間的關系

圖3：（a）具有不同結構參數的三片sc-SiFs的照片。（b-d）三個樣品的對應SEM圖像。（e-g）三個樣品的相應透射光譜。

4. 基于sc-SiFs的透明柔性光電探測器（TFPDs）的光響應特性

圖4：（a）基于sc-SiFs的TFPDs的器件結構的示意圖。（b）基于sc-SiFs的實際器件照片。（c）在室溫下在暗場中測得的器件的I-V曲線。（d）分別在暗場和白光（12 mW cm^-2）下測得的光電探測器的特征I-V曲線。（e）在808 nm波長光照下以不同的光強度測量的器件的I–V特性。（f）在0V偏置電壓下在808 nm波長光照射下以不同的光強度測量的器件的開關光電流。（g）光電流密度與光強度的關系圖。插圖顯示了在對數關系中光電流密度與光強度的線性擬合。（h）響應度和比探測度與光強度的關系圖。

5. 集成的多波段光電檢測系統，由基于sc-SiFs的TFPDs和商用光電探測器組成

圖5：（a）由基于sc-SiFs的光電探測器和商用IR光電探測器組成的集成系統示意圖。（b）分別為集成和不集成基于sc-SiFs的TFPDs的IR光電探測器的光電流切換性能。（c）在不同照明模式下IR光電探測器和基于sc-SiFs的光電探測器的光電流切換響應。（d）由基于sc-SiFs的光電探測器和商用UV光電探測器組成的集成系統示意圖。（e）分別為集成和不集成基于sc-SiFs的光電探測器的UV光電探測器的光電流切換性能。（f）UV光電探測器和基于sc-SiFs的光電探測器在不同照明模式下的光電流切換響應。

【作者簡介】

張曉宏，蘇州大學功能納米與軟物質研究院，教授，博士生導師。現任蘇州大學副校長、教育部“蘇州納米科技協同創新中心”常務副主任，是國家杰出青年基金獲得者，國家“萬人計劃”科技創新領軍人才，國家“973項目”首席科學家，國家“基金委創新研究群體項目”負責人，英國皇家化學會會士。主要從事半導體納米材料和器件方面的研究，近年來先后主持國家基金委創新研究群體項目、基金委重大研究計劃集成項目、基金委重點項目、973項目等20余項國家級科研項目。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、JACS等國際期刊（SCI）發表研究論文400余篇，他引10000余次，獲美國和中國專利50余項，部分創新成果實現產業應用。獲國家自然科學二等獎1項，省部級科學技術一等獎3項。課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/zhang_xiaohong。課題組常年招收優秀學生、博士后，條件優異，歡迎聯系咨詢。

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