擁抱低維材料之未來
——記中國科學院半導體研究所研究員左玉華

龐紅碩

左玉華

納米管、石墨烯、量子點等材料，都有一個共同的特點，那就是它們的空間維度都小于3，這種特性賦予了這些材料一個共同的名稱：低維材料。如今，以硅（Si）技術為代表的微電子技術正日新月異地發展著，但這種作為廣泛使用的半導體材料，目前還存在著很多缺陷：其一是載流子遷移率低，這使得Si的微電子器件速度遠遠落后于其他材料；其二是硅屬于間接帶隙半導體，也就意味著S i不能發出可見光。多年來，如何改進Si的特性，滿足光電集成的需要，具有重大意義。而通過改進Si材料性能，以實現大規模Si基材料的光電集成，一直是許多科研人員的夢想，中國科學院半導體研究所研究員左玉華的夢想也在其中。

一年又一年，左玉華將硅基與低維材料相結合，始終將科研夢想扎根于新型硅基低維納米結構材料與器件這片土地上。她以低維硅基納米結構復合材料作為研究重點，在Si基光電子器件、Si基新材料以及硅基量子點太陽電池材料等多方面做了突破性探索。硅材料作為最重要的半導體材料，已經憑借其較窄的禁帶寬度、較低的生物毒性等優越特性，在信息和光伏領域里取得了很大成功，同時應用領域也在不斷拓展。在左玉華看來，低維硅基納米結構材料將開辟新材料開發以及應用領域的新紀元。

讓科研夢在硅基熱土開花

在實體空間中，材料往往都會表現出長、寬、高3個維度，當這些材料逐漸變薄、變細或變小，在長寬高等某些維度或全部維度的尺寸足夠小時，這些材料就變成了“低維材料”。近年來，以石墨烯為代表的低維納米材料所表現出的電、磁、光和力學等性能吸引了眾多學者的關注，也成為納米材料具有重大潛力、能夠得到廣泛應用的關鍵所在。

左玉華同樣也注意到了低維材料潛藏的巨大研究價值，盡管在清華大學材料科學與工程系就讀本科時，左玉華并沒有接觸過稀土、鈣鈦礦低維材料、硅基光子晶體結構等新型材料，但這并不妨礙她的研究熱情。“本科和碩士期間，我研究的材料主要是金屬材料和無機非金屬材料，后來考入中國科學院半導體研究所攻讀博士，才開始接觸有關半導體光電材料，相當于完全換了一個研究方向?！弊笥袢A笑談道。

2000年，為了考入中國科學院半導體研究所，面對陌生的專業，左玉華爭分奪秒，在一個月內，將考試涉及的專業課從頭學了一遍。付出總是有收獲，當她的研究領域逐步遞進，從無源器件到有源器件，再轉向對材料性能及器件制備工藝上的改進，她深感當初的選擇沒有錯。在壓力與動力的雙重沖擊下，左玉華不斷突破自我，積累了豐富的研究經驗，在Si基光電子器件、Si基新材料以及硅基量子點太陽電池材料等方面取得重要突破。

其中，針對探測器靈敏度方面，她于2017年承擔了國家重點研發計劃“高靈敏Si基APD可靠性研究”課題，對高性能蓋革模式的雪崩光電探測器（APD）進行了系統研究。要知道，只要提到探測器靈敏度，APD就是一個繞不開的話題，它代表著探測器靈敏度的極限，已經被廣泛應用在航天航空、遙感成像、醫療診斷、無人駕駛、量子通信等領域，各國也紛紛想要搶占這一高科技領域的制高點。然而，目前高性能APD還是我國實現獨立自主發展軍用和民用高科技領域的瓶頸。

于是，圍繞高靈敏這一關鍵性能，左玉華先是從S i基A P D的退化機理入手，然后她將暗電流或暗計數等器件關鍵性能的變化、分辨器件毀滅性失效或緩慢退化機理相結合，采用加速老化的實驗方法，對在不同溫度和偏壓下，電應力和熱應力對材料的晶格質量、摻雜界面的誘導退化機制，還有APD的關鍵性能參數與失效模式及溫度、電場等加速失效條件的對應關系都進行了分析，最后她成功根據Arrhenius方程，推算出了器件的壽命，從而找到了漏電流增加、歐姆接觸電阻退化、擊穿電壓退化的根源。

接下來，左玉華想到了提升器件可靠性的辦法。她根據不同加速條件下的失效機理，結合了器件結構和制備工藝，從可靠性這一新角度出發，為探測器件的設計和制備提出可行性建議，從而提升了器件的可靠性。

讓光電探測器點燃硅基之光

科研過程中最大的難點在哪？當被問到這個問題，左玉華沉思了幾秒后，說道：“還是得繞回到材料本身，它的可操作性、可加工性才是最令我頭疼的?！睋笥袢A介紹，目前，她正在針對硅基材料與鈣鈦礦低維材料進行研究。其中，鈣鈦礦材料是如今開發光伏界的研究熱點。

在國家自然科學基金面上項目“新型硅基稀土摻雜近紅外激光器研究”的基礎上，2019年年初，左玉華開始結合稀土摻雜、鈣鈦礦低維材料、硅基光子晶體結構各自的優點，對高性能的近紅外硅基鈣鈦礦發光器件及激光器的研發展開研究。

為了獲得更有實用價值的電泵鈣鈦礦量子點激光器，經過與團隊仔細商討后，左玉華決定采用散熱性能較好的硅基光子晶體結構，再結合稀土摻雜鈣鈦礦量子點低維材料，來制備電泵硅基鈣鈦礦量子點激光器原型器件。左玉華所在的中國科學院半導體研究所硅基光子學課題組，在硅基光電子器件、光子晶體及光電集成等方面有著豐富的經驗，而且早在2016年左玉華就在研究鈣鈦礦材料和器件非常有名的加州大學洛杉磯分校YangYang課題組進行過8個月的訪問交流，回國后，她在全無機鈣鈦礦量子點材料及探測器方面做了不少的基礎研究工作。因此，她對接下來的研究充滿信心。

導師王啟明院士85歲生日，昔日師生50余人，歡聚一堂。

她計劃首先對稀土摻雜鈣鈦礦量子點制備技術進行優化，這就需要探索不同稀土摻雜劑、前驅體及配體材料、濃度、溫度等反應條件對低維材料發光特性的影響。與此同時，缺陷態對量子點的表面鈍化和表面修飾有極其重要的影響，但由于其主要集中于量子點的表面，因此左玉華表示還需要研究表面鈍化材料或核殼結構對量子點發光特性的影響。其次，她認為硅基光子晶體結構的優化設計也很關鍵。光子晶體結構是發光器件的共振腔，像厚度、孔間距等這些光學結構參數，對光學模式調控、器件的散熱性能有很大影響。對此，左玉華打算用Lumerical和Silvaco模擬軟件，對器件結構進行優化。這樣一來，不但可以對器件進行有效的光學管理和熱管理，還能降低模式損耗和熱化損失等非輻射復合損耗，可以達到提高器件發光效率和模式增益的目的。

最后，針對硅基鈣鈦礦量子點激光器中的器件物理性能，左玉華表示不同量子點尺寸、不同光子晶體結構的量子點激光器，在不同的泵浦光下的激發光特性會有許多差異，可以通過研究其差異性來獲得共振腔的Q值、模式增益等信息。除此之外，她還強調，對于Auger復合等非輻射復合對量子點激光器的影響，也需要進行進一步的探索。

物質世界奇妙無比，而追尋材料的奧秘，更是一段充滿未知而又絢麗多彩的旅程。在接下來的旅程中，左玉華表示要努力實現科研成果的產業化，做到“頂天立地”，創造更多材料世界的無限可能。