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无掩膜直写光刻系统再发Nat. Commun.!强体致光伏效应取得重要成果

更新时间:2023-08-11点击次数:339

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论文题目:Strong bulk photovoltaic effect in engineered edge-embedded van der Waals structures

发表期刊:Nature communications. IF:17.69

DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-39995-0

研究背景

      光能到电能的有效转换是绿色能源领域的核心问题。基于p-n结的内建电场或光-热电效应的非本征光伏效应已经被学界广泛地研究了几十年,相应器件的光电转换率已达到理论极限。体致发光效应(本征光电效应)不依赖于外在电场和热场梯度,理论上其能量转换效率可以超过PN结的Shockley-Quiesser极限

成果介绍

      近日,南方科技大学与南京工业大学强强联合,通过构建具有低对称度的范德华包覆式纳米边缘结构,观察到了强体致发光效应。该工作与以往的相关工作相比有两个明显的特点。第一,其提出的包覆式纳米边缘结构,可以使用不同的范德华材料进行搭建。第二,通过对称分析发现,通过包覆式纳米边缘结构所获得的光致电流,在样品的左边和右边有不同极性。这一点与非本征光伏效应所产生的电流有显著的不同。该工作以Strong bulk photovoltaic effect in engineered edge-embedded van der Waals structures为题,于2023年7月在SCI期刊Nature communication上发表。

      值得注意的是,本文中ReS2/ReS2、MoS2/MoS2及WS2/ReS2等全部器件均使用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备。该设备全自动控制、结构小巧紧凑(70cm x 70cm x 70cm)、无需掩膜版、高直写速度及高分辨率等特点,为本实验提供了方便高效的器件加工方案。

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小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

图文导读

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图1. 包覆式纳米边缘结构示意图。(a)ReS2的STEM表征结果和晶格示意图(b)在基底上无包覆结构。(c)形成包覆纳米边缘结构。(d)包覆式纳米边缘结构左右两侧示意图。

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图2. (a)由ReS2/ReS2所构成器件的光学照片。(b)器件结构示意图。(c)-(f)包覆式纳米边缘结构的STEM表征结果。

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图3. 线性偏振相关光电流测量。(a)通过MicroWirter ML3所制备的ReS2/ReS2器件的光学照片。(b)-(d)在(a)图中不同点的测量的偏振相关光电流结果。

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图4. 范德华异质和同质结构器件的表征结果。(a)利用MicroWirter ML3所制备的由MoS2/MoS2所组成器件的光学照片,(b)相对应的在包覆式纳米边缘左右两边所测量的光电流大小,(c)归一化的体致光伏电流强度,和(d)边缘部分和非边缘部分不同方向上的光电流大小的变化。(e)WS2/ReS2异质结构光学器件的光学照片和(f)相对应的在包覆式纳米边缘左右两边所测量的光电流大小。

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图5. 通过MicroWirter ML3所制备的hBN/ReS2和ReS2/hBN异质结构器件。(a)ReS2/hBN结构器件的光学照片和(b)相对应的光电流大小。(c)hBN/ReS2器件的光学照片和(e)相对应的光电流大小测量结果。

结论

      本文设计了一种包覆式纳米边缘结构,该结构具有低几何对称性和明显的局部特性。一方面,该结构可沿y方向观察到可检测的体致光伏效应光电流;另一方面,其满足观测强体致光伏效应的所有优点,包括半导体性质、低维度和强对称性破缺。这些观察结果在不同的同质和异质结中都是可重复的。在本研究中,为了测量体致光伏特性,在整个器件制备过程中,小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3精准套刻功能虚拟掩膜系统,为论文中器件的制备起到了保驾护航的作用。

精准套刻功能:

      MicroWriter ML3具有标记物自动识别功能,通过点击“Bulls-Eye"按钮,系统自动在显微镜图像中识别光刻标记。标记物被识别后,将自动将其移动到显微镜中心位置,方便套刻的实现。MicroWriter ML3的套刻精度可达0.5 μm

虚拟掩膜功能:

      MicroWriter ML3配有虚拟掩膜软件,可以实时显微观测基体表面,并显示预直写图形位置。通过调整位置、角度,直到设计图形按要求与已有结构重合,保证直写准确度。


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