廈大蔡端俊JPCL丨在高效除氫技術和新冠病毒消殺研究取得重要進展

研究背景：

作為元素周期表中的第一個元素，氫原子天生具備體積小、結構簡單又極為活潑的特點，這使其可以非常容易地跟半導體中的非飽和電子成鍵，影響半導體的結構和光學特性，并鈍化半導體的導電性，最終劣化器件的光電性能、可靠性及壽命。傳統熱退火除氫基于各向同性的熱能，除氫方向隨機、效率低、不徹底，面臨比較大的局限性。這限制了半導體器件性能的改善，如p-AlGaN的導電性及深紫外LED的效率。

成果掠影：

廈門大學蔡端俊教授團隊與韓國全南大學李俊冀教授團隊合作，在The?Journal?of?Physical Chemistry Letters期刊發表了題為“Unidirectional Elimination of Hydrogen by a Giant Local Field Saves First- and Last-Mile Performances of Semiconductor Devices”的最新研究成果論文，并選為封面文章。該工作提出了一種氯離子局域強電場驅動的新型高效除氫技術。這項技術利用溶液中緊湊氯離子吸附層提供的局域強電場，打斷半導體中的氫鍵，并在電場力驅動及氯離子的輸運作用下，可定向地對半導體進行快速除氫，除氫幅度可達52%。通過應用這項技術，p-AlGaN的導電性以及深紫外LED的光電性能得到顯著提升，其中器件光功率提高55%，壽命增長近一倍。基于高效深紫外LED，本工作又制作了3 W大功率的集成消殺燈，采用該消殺燈，可實現對細菌和COVID-19新冠病毒的“秒殺”。該技術對多種半導體皆有效，可推動半導體及光電子研究的進一步發展。

核心創新及啟示：

該團隊提出電化學方法，在溶液環境中，以半導體晶圓作為陽極，利用其表面吸附的高濃度氯離子層，在半導體中施加局域的強電場。使用這種方法，此項工作成功對多種半導體材料實現了高效的除氫，包括GaN、AlGaN、SiC、AllnP以及完整的深紫外LED晶圓，除氫幅度最高可達52%。除氫的具體機理為：在外加電壓的作用下，半導體的能帶向上彎曲，產生了空間電荷區，溶液一側則形成了Cl^-離子緊湊吸附層。在氯離子局域強電場和外場的共同作用下，半導體中的氫鍵被打斷，隨后氫雜質被拖離至表面，最終在Cl^-離子的輸運作用下，被驅離開半導體。整個動態除氫過程具有循環持續、高效快速和永久徹底的特點。

更重要的是，應用這種新型的定向電場除氫技術，可高效激活高Al組分p型AlGaN中Mg的受主活性，大幅度提高了p型導電性，其中電流提升了8.8倍，空穴濃度提升了一個數量級，電極接觸電阻也相應降低了一個數量級。進一步將此項技術應用于273 nm的AlGaN基深紫外LED，器件的光電性能也得到了顯著增強。其中LED的開啟電壓降低1 V，光功率最高提升55%，在100 mA的電流下達到了9.8 mW，插墻效率顯著提升62%，達到了3.3%。并且，UVC LED的可靠性同樣得到改善，其壽命延長了近一倍。

最后，基于高效的UVC LED，該工作還設計并制作了3 W大功率的殺菌消毒燈。針對大腸桿菌和COVID-19新冠病毒的實驗證明，只要經過深紫外燈1秒鐘的照射，細菌和病毒的滅活效率就超過了99.9%，成功實現了“秒殺”。20分鐘輻照可實現病毒核酸的完全消除，避免PCR假陽性現象。在全球疫情肆虐的嚴峻形勢下，我們相信本工作中的高效大功率UVC LED快速消殺技術可為全球抗疫和保障人類的健康做出重要貢獻。

圖文解讀：

圖1.?(a) 新型電場除氫裝置示意圖；(b) 在不同電壓下電場除氫后p-AlGaN樣品的H雜質濃度SIMS深度測試；(c)-(e) 氯離子電場除氫機理分析，HCl溶液與半導體的界面示意圖 (c)，能帶結構圖 (d)，循環除氫過程示意圖 (e)。

圖2?(a) UVC LED結構示意圖；(b)-(c) UVC LED點亮的顯微照片；(d) EL光譜；(e) I-V特性曲線；(f) 輸出光功率；(g) WPE插墻效率；(h) 壽命測試結果；(i) 深紫外消殺燈實物照片；(j) 未經深紫外燈消殺，及 (k) 經過深紫外燈消殺后的大腸桿菌培育照片。

圖3. 深紫外光殺菌消毒的原理示意圖。

論文信息：

Shiqiang Lu^#(盧詩強), Zhibai Zhong^#(鐘志白), Bin Guo^#(郭斌), Xiaohong Chen, Guozhen Liu, Zefeng Lin, Han Chen, Shengrong Huang, Xudong Liang, Yuanzhi Zheng, Xiaohui Huang, Mingxing Wang, Fujun Xu, Yanhua Zhang, Canming Zhang, Xudong Wang, Yinghui Zhou, Shuping Li, June Key Lee*(李俊冀), Duanjun Cai*(蔡端俊), and Junyong Kang, "Unidirectional Elimination of Hydrogen by a?Giant Local Field Saves First- & Last-Mile Performances of Semiconductor Devices", The Journal of Physical Chemistry Letters, 13, 2084–2093, 2022, Back Cover featured article, DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c04111.

該論文工作由廈門大學團隊和韓國全南大學團隊合作完成，博士生盧詩強為第一作者、博士生鐘志白和碩士生郭斌為共同第一作者，蔡端俊教授和李俊冀教授為該論文的通訊作者。該研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、福建省科技計劃等項目的資助。

論文下載鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.1c04111