——记中国科学院半导体研究所研究员左玉华
　　
□　庞红硕

　　
　　
　　纳米管、石墨烯、量子点等材料，都有一个共同的特点，那就是它们的空间维度都小于3，这种特性赋予了这些材料一个共同的名称：低维材料。如今，以硅（Si）技术为代表的微电子技术正日新月异地发展着，但这种作为广泛使用的半导体材料，目前还存在着很多缺陷：其一是载流子迁移率低，这使得Si的微电子器件速度远远落后于其他材料；其二是硅属于间接带隙半导体，也就意味着Si不能发出可见光。多年来，如何改进Si的特性，满足光电集成的需要，具有重大意义。而通过改进Si材料性能，以实现大规模Si基材料的光电集成，一直是许多科研人员的梦想，中国科学院半导体研究所研究员左玉华的梦想也在其中。
　　一年又一年，左玉华将硅基与低维材料相结合，始终将科研梦想扎根于新型硅基低维纳米结构材料与器件这片土地上。她以低维硅基纳米结构复合材料作为研究重点，在Si基光电子器件、Si基新材料以及硅基量子点太阳电池材料等多方面做了突破性探索。硅材料作为最重要的半导体材料，已经凭借其较窄的禁带宽度、较低的生物毒性等优越特性，在信息和光伏领域里取得了很大成功，同时应用领域也在不断拓展。在左玉华看来，低维硅基纳米结构材料将开辟新材料开发以及应用领域的新纪元。 
　　
让科研梦在硅基热土开花
　　在实体空间中，材料往往都会表现出长、宽、高3个维度，当这些材料逐渐变薄、变细或变小，在长宽高等某些维度或全部维度的尺寸足够小时，这些材料就变成了“低维材料”。近年来，以石墨烯为代表的低维纳米材料所表现出的电、磁、光和力学等性能吸引了众多学者的关注，也成为纳米材料具有重大潜力、能够得到广泛应用的关键所在。
　　左玉华同样也注意到了低维材料潜藏的巨大研究价值，尽管在清华大学材料科学与工程系就读本科时，左玉华并没有接触过稀土、钙钛矿低维材料、硅基光子晶体结构等新型材料，但这并不妨碍她的研究热情。“本科和硕士期间，我研究的材料主要是金属材料和无机非金属材料，后来考入中国科学院半导体研究所攻读博士，才开始接触有关半导体光电材料，相当于完全换了一个研究方向。”左玉华笑谈道。
　　2000年，为了考入中国科学院半导体研究所，面对陌生的专业，左玉华争分夺秒，在一个月内，将考试涉及的专业课从头学了一遍。付出总是有收获，当她的研究领域逐步递进，从无源器件到有源器件，再转向对材料性能及器件制备工艺上的改进，她深感当初的选择没有错。在压力与动力的双重冲击下，左玉华不断突破自我，积累了丰富的研究经验，在Si基光电子器件、Si基新材料以及硅基量子点太阳电池材料等方面取得重要突破。
　　其中，针对探测器灵敏度方面，她于2017年承担了国家重点研发计划“高灵敏Si基APD可靠性研究”课题，对高性能盖革模式的雪崩光电探测器（APD）进行了系统研究。要知道，只要提到探测器灵敏度，APD就是一个绕不开的话题，它代表着探测器灵敏度的极限，已经被广泛应用在航天航空、遥感成像、医疗诊断、无人驾驶、量子通信等领域，各国也纷纷想要抢占这一高科技领域的制高点。然而，目前高性能APD还是我国实现独立自主发展军用和民用高科技领域的瓶颈。
　　于是，围绕高灵敏这一关键性能，左玉华先是从Si基APD的退化机理入手，然后她将暗电流或暗计数等器件关键性能的变化、分辨器件毁灭性失效或缓慢退化机理相结合，采用加速老化的实验方法，对在不同温度和偏压下，电应力和热应力对材料的晶格质量、掺杂界面的诱导退化机制，还有APD的关键性能参数与失效模式及温度、电场等加速失效条件的对应关系都进行了分析，最后她成功根据Arrhenius方程，推算出了器件的寿命，从而找到了漏电流增加、欧姆接触电阻退化、击穿电压退化的根源。
　　接下来，左玉华想到了提升器件可靠性的办法。她根据不同加速条件下的失效机理，结合了器件结构和制备工艺，从可靠性这一新角度出发，为探测器件的设计和制备提出可行性建议，从而提升了器件的可靠性。
　　
让光电探测器点燃硅基之光
　　科研过程中最大的难点在哪？当被问到这个问题，左玉华沉思了几秒后，说道：“还是得绕回到材料本身，它的可操作性、可加工性才是最令我头疼的。”据左玉华介绍，目前，她正在针对硅基材料与钙钛矿低维材料进行研究。其中，钙钛矿材料是如今开发光伏界的研究热点。
　　在国家自然科学基金面上项目“新型硅基稀土掺杂近红外激光器研究”的基础上，2019年年初，左玉华开始结合稀土掺杂、钙钛矿低维材料、硅基光子晶体结构各自的优点，对高性能的近红外硅基钙钛矿发光器件及激光器的研发展开研究。
　　为了获得更有实用价值的电泵钙钛矿量子点激光器，经过与团队仔细商讨后，左玉华决定采用散热性能较好的硅基光子晶体结构，再结合稀土掺杂钙钛矿量子点低维材料，来制备电泵硅基钙钛矿量子点激光器原型器件。左玉华所在的中国科学院半导体研究所硅基光子学课题组，在硅基光电子器件、光子晶体及光电集成等方面有着丰富的经验，而且早在2016年左玉华就在研究钙钛矿材料和器件非常有名的加州大学洛杉矶分校Yang Yang课题组进行过8个月的访问交流，回国后，她在全无机钙钛矿量子点材料及探测器方面做了不少的基础研究工作。因此，她对接下来的研究充满信心。
　　她计划首先对稀土掺杂钙钛矿量子点制备技术进行优化，这就需要探索不同稀土掺杂剂、前驱体及配体材料、浓度、温度等反应条件对低维材料发光特性的影响。与此同时，缺陷态对量子点的表面钝化和表面修饰有极其重要的影响，但由于其主要集中于量子点的表面，因此左玉华表示还需要研究表面钝化材料或核壳结构对量子点发光特性的影响。其次，她认为硅基光子晶体结构的优化设计也很关键。光子晶体结构是发光器件的共振腔，像厚度、孔间距等这些光学结构参数，对光学模式调控、器件的散热性能有很大影响。对此，左玉华打算用Lumerical和Silvaco模拟软件，对器件结构进行优化。这样一来，不但可以对器件进行有效的光学管理和热管理，还能降低模式损耗和热化损失等非辐射复合损耗，可以达到提高器件发光效率和模式增益的目的。
　　最后，针对硅基钙钛矿量子点激光器中的器件物理性能，左玉华表示不同量子点尺寸、不同光子晶体结构的量子点激光器，在不同的泵浦光下的激发光特性会有许多差异，可以通过研究其差异性来获得共振腔的Q值、模式增益等信息。除此之外，她还强调，对于Auger复合等非辐射复合对量子点激光器的影响，也需要进行进一步的探索。
　　物质世界奇妙无比，而追寻材料的奥秘，更是一段充满未知而又绚丽多彩的旅程。在接下来的旅程中，左玉华表示要努力实现科研成果的产业化，做到“顶天立地”，创造更多材料世界的无限可能。科