【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，虹口區(qū)科研陣營接連傳來重磅消息——中國科學院上海技術物理研究所紅外科學與技術全國重點實驗室在低維光電材料領域取得系列突破性進展，多項研究成果相繼發(fā)表于《自然》(Nature)、《科學》(Science)、《自然·材料》(Nature Materials)及《自然·通訊》(Nature Communications)等國際頂級學術期刊，標志著虹口區(qū)在原子級材料制造、低維超導及體光伏效應等前沿方向躋身國際領先行列。
原子級制造突破：單晶金屬電極直生長技術登上《科學》
隨著半導體器件微縮逼近物理極限，金屬電極的單晶性日益成為性能提升的關鍵瓶頸——晶界散射、原子失配及電勢不均等微觀效應正嚴重制約器件表現(xiàn)。如何制備與半導體單晶結構相匹配的單晶金屬，已成為突破接觸限制的核心課題。
褚君浩院士團隊聯(lián)合復旦大學、湖南大學、新加坡國立大學等，創(chuàng)新提出單晶金屬薄膜原位分步蒸鍍技術(Step-Eva)。該技術利用熱蒸發(fā)設備，通過原子級低劑量沉積與間歇停頓交替進行，有效降低成核密度、促進晶疇橫向生長與合并，猶如“疊放俄羅斯方塊”般使原子有序排列，最終在二維半導體表面原位形成長程有序、晶向一致的大面積單晶金屬薄膜。
該方法已成功實現(xiàn)鉍(Bi)、銀(Ag)、銦(In)、金(Au)和鈀(Pd)等多種單晶金屬的普適制備。基于單晶金屬接觸構筑的二維半導體器件，費米能級釘扎效應顯著減弱，N型和P型晶體管開關比均超過10¹?，溝道長度縮短至50nm時開態(tài)電流均高于1.1mA μm?¹，接觸電阻分別低至36 Ω·μm和145 Ω·μm，性能達國際領先水平。相關成果于8月27日發(fā)表于《科學》雜志。
低維氧化物普適制備：室溫鐵磁半導體刷新居里溫度紀錄
針對低維金屬氧化物單晶薄膜普適制備中長期存在的晶疇取向調(diào)控難題，張克難研究員聯(lián)合美國麻省理工學院、香港科技大學、溫州大學等團隊，提出范德華表面重構外延策略，首次在Co、Ni、Fe、Mn等系列金屬氧化物中實現(xiàn)嚴格單一取向外延，并獲得厘米級低維單晶薄膜。
該策略突破了傳統(tǒng)外延對組分變化的敏感性，兼容摻雜工程，為探索新奇物性提供了通用平臺。團隊成功獲得迄今居里溫度最高(430 K)的室溫鐵磁半導體Fe–CoO單晶薄膜，為新型自旋電子器件奠定關鍵材料基礎。相關成果發(fā)表于《自然·材料》。
低維超導：一英寸單層NbSe?實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定生長
在上述工作基礎上，團隊針對易氧化、大面積高質(zhì)量制備困難等瓶頸，發(fā)現(xiàn)了一種全新的“封裝外延”機制，實現(xiàn)了面積超過1英寸、環(huán)境穩(wěn)定的單層NbSe?超導薄膜生長，可在空氣環(huán)境下直接完成器件加工，并觀察到轉變溫度177 K的增強電荷密度波。
結合自主發(fā)展的無氧化轉移及超導邊緣接觸工藝，團隊成功將該材料集成于超導電路，獲得約0.7 nH/□的高動力學電感，為高動力學電感量子器件及超導量子電路的晶圓級單片集成提供了全新的材料與技術路徑。相關成果發(fā)表于《自然》。
十字異質(zhì)結構設計：體光伏效應實現(xiàn)巨幅增強
與此同時，復旦大學、華東師范大學、中科院上海技物所聯(lián)合團隊在二維異質(zhì)結體光伏效應研究中取得原創(chuàng)突破，成果發(fā)表于《自然·通訊》。
傳統(tǒng)二維材料體系中，體光伏(BPV)效應的多重光生機制相互混雜，難以區(qū)分界面與層內(nèi)光電響應，制約器件性能的定向優(yōu)化。研究團隊設計出十字交叉型MoS?/Ta?NiSe?范德華異質(zhì)結，通過層間堆疊打破MoS?中心反演對稱性，僅在疊合區(qū)域產(chǎn)生巨體光伏響應。
正交器件幾何可獨立解析層內(nèi)、界面兩類光生通道，成功分離競爭光物理過程。MoS?與Ta?NiSe?間的自發(fā)界面電荷轉移構筑了強層間電子耦合，通過背柵與垂直電場協(xié)同調(diào)控，最優(yōu)工況實現(xiàn)零偏光電流密度247 A/cm²、體光伏系數(shù)0.99 V?¹。該極簡異質(zhì)結構為可重構自驅(qū)動光電探測器、寬帶光電探測及納米能量收集器件提供了通用開發(fā)范式。
上述系列成果的第一完成單位均為位于虹口區(qū)的中國科學院上海技術物理研究所紅外科學與技術全國重點實驗室。研究得到國家自然科學基金卓越研究群體項目、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點項目、中國科學院先導專項B類等支持。
從單晶金屬原子級制造到室溫鐵磁半導體，從環(huán)境穩(wěn)定超導薄膜到界面體光伏效應，虹口科研力量正以系統(tǒng)性突破展示著低維光電材料領域的創(chuàng)新活力。這些基礎研究的厚積薄發(fā)，將為新一代信息器件、量子技術及光電器件的發(fā)展持續(xù)注入源自虹口的原始創(chuàng)新動能。
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