苏州大学张晓宏课题组Advanced Materials：柔性透明单晶硅框架材料

【研究背景】

硅材料是最重要的半导体材料之一，具有出色的光学、电学特性。在过去数十年里，单晶硅材料的发展促进了半导体产业的繁荣和现代社会的发展。例如，硅晶片的大规模生产促进了太阳能电池的发展，现已成为清洁能源领域的最主要产品。通过微加工技术进行图案化的单晶硅是集成电路（IC）和微机电系统（MEMS）的基础，这些技术已将世界带入了信息化和智能化的时代。近年来，具有独特的光学，电学和机械特性的硅微纳材料在光子学，能量转换和生物医学应用中也显示出巨大的潜力。可以预期单晶硅材料的创新将对许多新领域带来革命。具有柔性、透明等新颖特性的器件是下一代光电子的发展趋势，尽管单晶硅材料是商业化芯片、各类传感器上广泛应用的出色的活性材料，但由于常用硅晶圆刚性，脆性和不透明性的特点，它们并不适用于制造柔性透明器件。

【文章简介】

有鉴于此，苏州大学的张晓宏教授课题组通过结合湿法蚀刻和微加工技术，以普通硅晶片为原材料，设计并制备了一种新型的硅微结构，称为单晶硅框架结构（sc-SiFs，single-crystalline silicon frameworks）。单晶硅框架是一种自支撑、柔性、轻质、可剪裁的新型单晶硅材料，其对所有波长的可见光都是高度透明。通过合理设计结构参数其透明度可高达96％。单晶硅框架为高性能透明柔性光电器件提供了新的平台。作为应用实例，在该论文中，单晶硅框架被用于构筑了透明柔性光电探测器，与其他报道的器件相比，硅基透明柔性光电探测器在响应速度，响应度和比探测率等方面都非常突出。而且这也是首个无基底、自驱动的透明柔性光电探测器，这个特点对集成应用非常有利，不仅有利于减少集成系统的体积和重量，而且也避免了衬底吸光对系统中光学器件的性能影响。单晶硅网格材料的制备为开发面向下一代光电子的高性能硅基透明柔性器件奠定了材料基础。

相关成果以“Single-Crystalline Silicon Frameworks: A New Platform for Transparent Flexible Optoelectronics”为题发表在国际著名期刊Advanced Materials上，苏州大学功能纳米与软物质研究院的揭建胜教授为论文的共同通讯作者。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202008171

【图文导读】

1. 大面积单晶硅框架结构(sc-SiFs)的制备

图1：（a）从硅晶片到sc-SiFs的制备过程示意图。（b）用镊子弯曲的sc-SiFs的照片。（c）裁剪为不同形状sc-SiFs的照片：圆形，正方形和三角形。（d，e）sc-SiFs在不同放大倍数下的俯视SEM图像。（f）sc-SiFs 45°倾斜角的SEM图像。

2. sc-SiFs机械性能分析

图2：（a）对厚度为20μm，弯曲半径为0.5 mm的sc-Si样品内部应变分布进行有限元分析（FEA）。（b）分别在3 mm，5 mm和10 mm的不同弯曲半径下计算出的峰值应变与样品厚度的关系图。（c）对于厚度分别为20μm，40μm和60μm的样品，计算出的峰值应变与弯曲半径的关系图。（d）在镊子之间弯曲的厚度为20μm的sc-SiFs的照片。（e）蒲公英上的一片sc-SiFs的照片。

3. sc-SiFs透明度与结构参数之间的关系

图3：（a）具有不同结构参数的三片sc-SiFs的照片。（b-d）三个样品的对应SEM图像。（e-g）三个样品的相应透射光谱。

4. 基于sc-SiFs的透明柔性光电探测器（TFPDs）的光响应特性

图4：（a）基于sc-SiFs的TFPDs的器件结构的示意图。（b）基于sc-SiFs的实际器件照片。（c）在室温下在暗场中测得的器件的I-V曲线。（d）分别在暗场和白光（12 mW cm^-2）下测得的光电探测器的特征I-V曲线。（e）在808 nm波长光照下以不同的光强度测量的器件的I–V特性。（f）在0V偏置电压下在808 nm波长光照射下以不同的光强度测量的器件的开关光电流。（g）光电流密度与光强度的关系图。插图显示了在对数关系中光电流密度与光强度的线性拟合。（h）响应度和比探测度与光强度的关系图。

5. 集成的多波段光电检测系统，由基于sc-SiFs的TFPDs和商用光电探测器组成

图5：（a）由基于sc-SiFs的光电探测器和商用IR光电探测器组成的集成系统示意图。（b）分别为集成和不集成基于sc-SiFs的TFPDs的IR光电探测器的光电流切换性能。（c）在不同照明模式下IR光电探测器和基于sc-SiFs的光电探测器的光电流切换响应。（d）由基于sc-SiFs的光电探测器和商用UV光电探测器组成的集成系统示意图。（e）分别为集成和不集成基于sc-SiFs的光电探测器的UV光电探测器的光电流切换性能。（f）UV光电探测器和基于sc-SiFs的光电探测器在不同照明模式下的光电流切换响应。

【作者简介】

张晓宏，苏州大学功能纳米与软物质研究院，教授，博士生导师。现任苏州大学副校长、教育部“苏州纳米科技协同创新中心”常务副主任，是国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，国家“973项目”首席科学家，国家“基金委创新研究群体项目”负责人，英国皇家化学会会士。主要从事半导体纳米材料和器件方面的研究，近年来先后主持国家基金委创新研究群体项目、基金委重大研究计划集成项目、基金委重点项目、973项目等20余项国家级科研项目。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、JACS等国际期刊（SCI）发表研究论文400余篇，他引10000余次，获美国和中国专利50余项，部分创新成果实现产业应用。获国家自然科学二等奖1项，省部级科学技术一等奖3项。课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/zhang_xiaohong。课题组常年招收优秀学生、博士后，条件优异，欢迎联系咨询。

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