摘要： 据报道，美国麻省理工学院团队在电子制造领域取得了一项重要进展：他们利用全3D打印技术，制作出了不需要半导体材料的有源电子设备器件。这一突破性研究发表在新一期《虚拟与物理原型》杂志上，为将来的电子制造开辟了新途径。

摘要： 近年来，以SiC、GaN、金刚石、Ga2O3为代表的宽禁带半导体在功率、射频器件方面展示出重要的研究价值，并在5G通信、汽车电子、快速充电等方面展现出了广阔的应用前景。抓住研发宽禁带功率半导体的战略机遇期，解决宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成中的关键技术瓶颈，具有极为重要的科学意义与实际价值。为进一步促进宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成等领域的新理论、新技术、新方法的创新研究，促进全国宽禁带半导体行业的相互交流、学习借鉴，《太赫兹科学与电子信息学报》计划推出“宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成“专题栏目，现特向广大专家学者征集符合该专题方向的原创性研究论文及综述，旨在集中反映该领域最新的研究成果及研究进展。

关键词： BiVO4   ZnFe2O4   BiNPs   LSPR   MOF   水滑石   异质结  

摘要： 当今世界,化石能源仍为人们所使用的主要能源,但随着经济社会的发展,有限的储量并不能支撑长期的需求。此外,化石燃料在能量转化的过程中也会伴随环境污染、大量温室气体产生等问题,因此亟需开发一种成本可控的清洁能源代替化石燃料以解决这一实际问题。太阳能是一种可再生能源,利用太阳能作为潜在的替代能源取代化石燃料是目前研究的热点方向。然而太阳能由于受制于环境、储存方式等因素导致其在实际应用中直接利用并不稳定,将其转化为其他形式能源储存是一种可行且有效的方式。近些年来,光电化学（PEC）分解水得到了许多研究者的关注,其可以利用半导体材料作为电极将太阳能转化成氢能,在这一过程中光阳极上的析氧反应为决速步骤,如何制备高效的光阳极是目前的重点问题。本文主要围绕着BiVO4光阳极进行研究,通过设计II型异质结构并加以修饰提高BiVO4光阳极的光电化学性能,具体研究内容如下: （1）通过电沉积法在FTO导电玻璃上制备BiVO4光阳极,并通过连续离子吸附法引入ZnFe2O4构建II型异质结构,最后采用化学浸渍还原法引入铋纳米颗粒（Bi NPs）,通过对BiVO4/ZnFe2O4/Bi NPs三元光阳极进行了光电化学测试发现,三元光阳极在1.23 V ***下的光电流密度高达2.72 m A·cm-2,相较于单一的BiVO4光阳极提高了4.2倍,入射光子-电子转换效率（IPCE）和外加偏压光-电转化效率（ABPE）则分别在波长为420 nm处和0.88 V（***）时达到了38.6%和0.51%,比BiVO4光阳极提高了的2.7倍和5.1倍。三元光阳极光电化学性能的提升主要是因为异质结的构成拓宽可见光的吸收范围并实现电子-空穴对的有效分离,Bi NPs的引入不仅可以通过局部表面等离子体共振（LSPR）效应提高光阳极对光的捕获能力,还可以产生大量热电子注入到半导体中提高载流子的浓度。 （2）通过MOF衍生法在BiVO4光阳极上将ZIF-67转化为Co3O4制备了BiVO4/Co3O4异质结,并通过电沉积法引入Ni Co-LDH进行修饰,BiVO4与Co3O4构建的n-p异质结使得光生载流子实现了高效分离,并且Co3O4的引入作为空穴传输层增强了载流子的传输速度。Ni Co-LDH助催化剂作为空穴提取层可以及时提取并迅速消耗来自Co3O4的光生空穴,使水氧化动力学得到提高。测试结果表明,三元光阳极在1.23 V ***下的光电流密度可以提升至3.02m A·cm-2,IPCE最大值为53%,ABPE值在0.86 V ***处达到了0.61%。此外,三元光阳极在实现了优异的光电化学性能的同时,其稳定性也得到了大幅提高,可以有效抑制BiVO4光阳极的光腐蚀。

关键词： 微塑料   聚苯乙烯微球   半导体聚合物   余辉成像  

摘要： 微塑料对环境和人类健康构成严重威胁，但对于微塑料在生物体内的循环分布及转运过程目前尚未得到充分评估。因此，构建可以成像示踪微塑料的探针，对实现微塑料在机体内循环转运的可视化监测具有重要意义。半导体聚合物不含重金属离子，易生物降解，并且不存在放射性污染，在不持续激发光条件下可获得无组织背景荧光的高信噪比余辉成像，在生物成像领域具有良好的应用前景。本研究以聚苯乙烯微球为微塑料模型、苯乙烯为反应单体、聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂、过硫酸钠为引发剂，在反应过程中将半导体聚合物聚[（9,9-二（2-乙基己基）-9H-氟-烯-2,7-亚乙烯）-共-（1-甲氧基-4-(2-乙基己氧基)-2,5-亚苯基-亚乙烯基）]和光敏剂2,3-萘菁硅二（三己基硅氧烷）进行共同掺杂，合成得到了余辉发光时间长达96 h、组织穿透深度可达到1.8 cm的聚苯乙烯复合微球。研究结果表明，导体聚合物和光敏剂的掺杂对微球的粒径和Zeta电势的影响较小，在小鼠活体内的余辉发光信号可以被持续监测24 h。对解剖后的小鼠器官进行成像发现，灌胃48 h后的小鼠胃部仍可观测到余辉信号。本研究为生物活体内微塑料的成像示踪提供了新方法。

关键词： 有机场效应晶体管   载流子迁移率   非共轭结构单元   异靛蓝变体   聚合物半导体材料  

摘要： 聚合物半导体材料具有良好的溶液加工性、优异的机械灵活性、多样化的分子设计和易调控的光电性能等优点,在各种电子器件中拥有广阔的应用前景。近几十年来,设计合成全新的结构单元已成为提高聚合物半导体载流子传输性能的有效途径。常见的构筑聚合物的结构单元具有共轭的分子骨架和刚性的平面结构,因为其能够提高主链共轭长度、加强分子间相互作用和促进紧密的链间堆积从而有利于获得高载流子迁移率。尽管非共轭柔性单元可用于构筑具有优异机械性能的聚合物半导体材料,然而非共轭刚性结构单元鲜有报道,且其在构筑高迁移率聚合物方面的研究还是空白。基于此,本论文设计合成了一类新型的非/半共轭刚性结构单元,并将其引入聚合物主链中构筑了一系列聚合物,研究了其对聚合物的光电性质、薄膜微观形貌、载流子传输特性和场效应晶体管器件稳定性的影响规律,建立了聚合物的主链化学结构─光电性质─器件性能的构效关系,实现了高载流子迁移率和优异器件稳定性。本论文探索了非/半共轭单元在构筑高迁移率聚合物半导体方面中的应用潜力,为使用非/半共轭刚性单元开发高性能聚合物半导体材料提供了借鉴。具体研究内容如下: 1.提出主链引入非共轭刚性单元构筑聚合物半导体材料策略,设计并通过简单的方法制备了全新的结构单元─二酮哌嗪并二羟吲哚（DKPDO）,首次报道了其合成路线及化学结构。将其作为非共轭刚性单元以不同的比例引入到基于异靛蓝和联噻吩的共轭主链中成功构筑了一系列无规聚合物,系统地研究了DKPDO及其含量对聚合物的溶解度、聚集行为、薄膜微观形貌、电子能级、主链共平面性和场效应晶体管器件性能的影响。与不含DKPDO的聚合物相比,引入不同比例的DKPDO均可提高聚合物主链的共平面性、拉低前线轨道能级、降低溶解性和诱导混合结晶取向,从而能普遍提高空穴迁移率和器件操作稳定性。此外,含2.5%DKPDO的无规共聚物由于具有最高的结晶相干长度和最小的结晶无序度,其空穴迁移率高达4.12 cm2 V-1 s-1,比不含DKPDO聚合物的迁移率高6倍,且是基于异靛蓝中心扩展单元构筑的聚合物的最高值之一。该研究首次实现了引入非共轭基团大幅提高聚合物载流子迁移率,为获得高性能聚合物半导体材料提供了一种简单且高效的新方法; 2.为了进一步探究DKPDO单元的基本性质和挖掘其相应聚合物实现双极性传输的潜力,通过将其与具有不同共轭长度的电子给体单元共聚,成功制备了一系列给体-受体（D-A）聚合物,系统地研究了聚合物的紫外-可见光吸收特性、电子能级、聚集行为、薄膜微观形貌和载流子传输性能。随着聚合物重复结构单元的长度增加,聚合物的吸收红移、光学带隙变大、最高占有分子轨道（HOMO）能级抬升而最低未占据分子轨道（LUMO）能级几乎不变。四个聚合物由于具有较高的分子共平面性从而导致聚合物分子链间的较强相互作用力和聚集强度,进一步使聚合物薄膜具有较高的结晶度和混合结晶取向。聚合物PDKPDO-V具有适合的LUMO能级和较好的微观形貌,表现出双极性传输特性,其中空穴迁移率为0.011 cm2 V–1 s–1,电子迁移率为0.052 cm2 V–1 s–1。结果表明,DKPDO作为一个非共轭结构单元,在开发高性能双极性聚合物半导体材料方面显示出较大的潜力和良好的前景; 3.为了探究非共轭DKPDO单元的共轭程度对聚合物光电性质和载流子传输性能的影响,设计合成了非共轭DKPDO单元的新型变体─酮哌嗪并羟吲哚噻吩单元（KPOT）,并首次报道了其化学结构和合成路线。由于分子内氢键和S…N相互作用,KPOT具有较好的分子共平面性和刚性结构。作为半共轭刚性非对称结构单元,与不同的噻吩单元共聚,成功构筑了一系列具有不同共轭长度的聚合物。随着主链中噻吩个数和重复单元共轭长度的增加,聚合物的HOMO和LUMO能级逐渐抬升,带隙保持基本不变。由于聚合物具有主链无规结构序列,导致了较弱的分子链间的相互作用力和聚集强度,从而使聚合物薄膜的结晶度和有序度较差。聚合物的载流子迁移率都较低,最高仅达1.4×10–3 cm2 V–1 s–1。

关键词： 半导体激光器   纵向空间烧孔   双光子吸收   自由载流子吸收   高功率   单模输出  

摘要： 1.06μm波长半导体激光器具备体积小、重量轻、可靠性好、光电转化效率高等优点,因此广泛应用于激光雷达、激光引信、激光测距、光电对抗、激光致盲和目标识别等。高功率输出是半导体激光器被广泛应用的首要条件。通常高功率边发射半导体激光器两端面分别镀高反膜和增透膜,以提高斜率效率。另一方面,为了降低芯片和热沉之间的热阻,高功率边发射半导体激光器往往采用较长的腔长,这缓解了有源区的温度上升。然而实际器件中上述设计会加重载流子密度沿腔长方向的不均匀分布,这种现象称之为纵向空间烧孔(LSHB)。LSHB会导致阈值电流增加,斜率效率降低。本文主要通过数值模拟对脊形条半导体激光器的长腔工作特性进行分析,并对半导体激光器的制备工艺进行了深入研究。具体工作内容如下: (1)分析了脊波导的宽度和刻蚀深度对输出特性的影响。为了得到基侧模输出,脊波导的宽度应小于基模截止宽度,脊与两侧的等效折射率差越大,基模的截止宽度越小。增加刻蚀深度能减少注入电流向脊两边的扩散,降低阈值电流,但同时也会提高脊与两侧的等效折射率差,使得基模截止宽度减小产生高阶模。 (2)通过将双光子吸收(TPA)损耗和电流注入引起的自由载流子吸收(FCA)损耗与一维速率方程相结合,提出一种简化的数值分析模型,系统地分析了LSHB、TPA以及FCA对输出特性的影响。基于此模型,发现适当降低前腔面反射率能提高输出功率,但反射率过低会引起严重的LSHB,导致斜率效率大幅降低和过高的阈值电流,输出功率反而降低。相同注入电流下,存在一个量子阱(QW)在波导层中的位置,通过平衡阈值电流和斜率效率使输出功率最大,且该QW位置会随着注入电流或前腔面反射率的增加而逐渐向p侧移动。因此提出可以通过调整前腔面反射率和QW在波导层中位置相结合的方法优化输出功率。当前腔面反射率较低时,LSHB成为影响输出功率最主要的因素。 (3)通过优化器件的工艺流程,制作了腔长为2 mm,脊宽为3μm的1.06μm半导体激光器。经测试,该器件中心波长为1064 nm,阈值电流为30 mA,斜率效率为0.43 W/A。实现注入电流为500 mA时,200 mW单模输出。

关键词： 光电化学   生物传感器   单原子   氧化钛   药物监测治疗  

摘要： 光电化学生物传感器是近年来发展起来的一种基于光电化学原理与生物识别技术的分析设备,通过将目标生物分子连接到半导体光电极表面产生电化学信号变化来实现分析检测的目的。光电化学生物传感器具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好且易于小型化等特点,在环境分析和生命科学等领域受到广泛关注。光电化学生物传感器采用“光激发、电检测”的模式运行,由于激发源与检测信号的异质化特点,该检测技术可以有效消除偏置电压以及背景光散射带来的信号干扰,从而表现出高的检测灵敏度。此外,光电化学传感还具有对目标分子的快速响应识别能力,适用于复杂生物环境中的实时监测和快速分析。然而,由于目前的生物传感技术依然普遍依赖于抗体、生物酶和适配体等生物识别单元,这些生物材料在复杂的活体检测环境中常常会表现出稳定性和选择性不足的问题,因而大大限制了光电化学生物传感器在实际应用中的可行性。除此之外,由于光电化学传感器检测模式的相对单一性,通常仅适用于对单一目标物的检测分析。在面对复杂样品的高通量检测时,往往需要依赖大量的人工重复操作才能完成,这极大地削弱了光电化学传感器在检测分析领域原本所具备的简单、快速的优势,限制了其在更广泛场景中的应用。 本论文的研究课题聚焦于构建金属单原子/氧化钛基底光电极,基于此光电极在多目标物、大通量分析检测与活体生物体内实时监测两个方面进行了详细研究与探讨:(1)构建了具备高通量检测能力的自动光寻址传感系统,该系统能够精准实现复杂癌症血清样本的疾病分型检测,为疾病诊断提供了新的检测手段;(2)以金属单原子为活性位点,构建高选择性光电传感电极,成功实现了活体小鼠体内长时间实时追踪特定生物分子浓度的变化,并整合便携式光电传感检测器与协同自动给药装置,验证了单原子/氧化钛传感电极在活体药物监测与协同治疗应用的可行性,为该类传感器在医学诊疗技术方面的进一步应用提供了有力的支持。本论文的研究工作主要从以下几个部分展开: 第一章绪论 本章详细阐述了光电化学的基本工作原理,深入探讨了光活性半导体材料的分类与选择原则。同时,对光电化学半导体材料在光电催化和光电生物传感两大领域的研究进展进行了系统梳理。其中,特别关注了光电化学生物传感器的研究背景,深入阐述了其工作原理及最新研究进展,并以金属单原子为核心的光电化学生物传感器为例,展示了其独特的优势和潜力。最后,本章总结了本论文的研究内容、目的及意义,并指出了研究课题的创新点,为未来的研究提供了明确的方向和思路。 第二章Au单原子修饰的Ti O2光电化学光寻址生物传感器的构建及其在癌症标志物检测中的应用研究 针对常规生物传感器在复杂检测环境中选择性受限以及光电识别模式导致的高通量检测难题,本课题提出构建一种自动光寻址光电化学检测平台。该平台旨在复杂测试环境中实现高效的高通量检测。在工作机制上,本课题采用单原子替代纳米粒子作为识别单元的锚定位点,最大化利用识别单元捕获目标分子,从而显著提升传感电极的选择性。此外,利用激光刻蚀法将电极精细划分为多个独立的传感区域,通过双轴协调定位技术,使各个传感区域能够精确移动并与光源快速对齐。这一设计使得平台能够同时检测多种目标物,大大提高了检测效率。为了验证自动光寻址光电化学检测平台的高通量检测能力,本工作采用了模式识别技术对不同癌症种类的血清样本进行分析检测。通过实际应用,成功实现了癌症的疾病分型,为癌症的早期诊断与精准治疗提供了新思路。 第三章Cu单原子修饰双识别光电传感器的构建及其对四环素高选择性检测的研究 本部分工作中,提出逆向设计策略,根据目标分子的化学结构进行逆向设计,以单原子和氧化钛基底协同构建高选择性光电化学生物传感电极,实现活体环境中四环素分子的长时间监测,为药物代谢研究提供了新的技术手段。此外,在小鼠创口愈合模型中,单原子传感器电极也展现出了可观的应用潜力。通过对活体小鼠体内四环素分子的实时监测,能够直接获得原位的药物代谢信息。这一成果为个性化指导用药提供了新的想法和解决方案,具有临床应用价值。 第四章Fe/Zn双单原子光电化学传感器的构建及其用于活体内化疗药物实时监测的研究 本部分工作设计构建了双单原子光电化学传感器,并集成便携式自动检测治疗装置,实现对化疗药物甲氨蝶呤在活体生物体内浓度变化的实时监测。甲氨蝶呤的治疗窗口狭窄,因此稳定血药浓度对于优化治疗效果和减少副作用至关重要。通过研究甲氨蝶呤分子的特征官能团,采用逆向设计策略,提出构建以Fe/Zn双原子作为识别单元的光电化学生物传感器,实现了复杂活体环境内目标分子的高选择性识别,并提高了检测的准确性和灵敏度。在肿瘤模型鼠的测试中,该装置不仅能够实时监测药物浓度,还能指导智能给药策略,实现了精准治疗。这一成果为未来的药物监测提供了新方向,有望为癌症等复杂疾病的治疗带来进展。