近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所納米材料與納米結(jié)構(gòu)研究室研究員費(fèi)廣濤課題組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心博士張堯合作，在光電晶體管的光調(diào)控方面取得進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，Ag/TiO2復(fù)合薄膜在外加兩束光照射后，具有類似于三極管的特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光電信號(hào)的增強(qiáng)、開關(guān)和調(diào)制，該器件被稱為全光輸入的晶體管。相關(guān)結(jié)果作為卷首圖片(Frontispiece)文章發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Adv. Funct. Mater. 28(40), 1870290 (2018)）上。

銀/二氧化鈦(Ag/TiO2)多孔膜由于其表面等離共振及熱電子的快速轉(zhuǎn)移特性，被認(rèn)為是熱電子光探測(cè)器的理想材料，而增強(qiáng)其光響應(yīng)度一直是科研人員研究的目標(biāo)。課題組助理研究員高旭東等在研究Ag/TiO2多孔膜對(duì)近紅外光的響應(yīng)性能時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，在近紅外光照射的基礎(chǔ)上再增加一束紫外光照射，該復(fù)合薄膜對(duì)近紅外光探測(cè)的響應(yīng)度會(huì)有近100倍的增加(圖1)。

這表明，Ag/TiO2復(fù)合薄膜在外加兩束光照射后，具有類似于三極管的特性。眾所周知，三極管是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管有三個(gè)電極，分別是基極、發(fā)射極和集電極。通常情況下，在三極管中，電信號(hào)從基極輸入，從集電極輸出，它的輸出特性曲線如圖2a所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)近紅外光作為源極信號(hào)光輸入，復(fù)合薄膜將這種近紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，在此基礎(chǔ)上，再外加紫外光照射到復(fù)合薄膜上，可以調(diào)控輸出的電信號(hào)，輸出特性曲線如圖2b。比較圖2b與圖2a可見，Ag/TiO2復(fù)合薄膜的輸出特性曲線與三極管的輸出特性曲線非常相似，因此，將這種Ag/TiO2復(fù)合薄膜稱作全光輸入的晶體管。值得一提的是，這種光電器件只需要兩束光輸入，不需要外加電驅(qū)動(dòng)。

分析表明，這種光控光電流增強(qiáng)特性源于器件的Ag與TiO2之間的肖特基勢(shì)壘。多孔TiO2在一般情況下，表面有大量的化學(xué)吸附氧，表面能帶向上彎曲，在與Ag接觸后，便形成高勢(shì)壘肖特基結(jié)(圖3a)。近紅外光照射到Ag薄膜上時(shí)，會(huì)激發(fā)表面等離激元，進(jìn)而產(chǎn)生熱電子。部分熱電子會(huì)越過Ag與TiO2之間的肖特基勢(shì)壘，進(jìn)入TiO2一側(cè)，進(jìn)而產(chǎn)生光電流。由于肖特基勢(shì)壘較高，越過勢(shì)壘的熱電子數(shù)量較少。而當(dāng)紫外光照射到Ag/TiO2復(fù)合薄膜上時(shí)，TiO2內(nèi)部產(chǎn)生的光生空穴可以從表面吸附的氧上奪取電子(去氧吸附)，導(dǎo)致表面能帶下降，進(jìn)而使肖特基勢(shì)壘下降。也就是說，通過紫外光照射可實(shí)現(xiàn)肖特基勢(shì)壘高度的調(diào)節(jié)。隨著肖特基勢(shì)壘的降低，越過勢(shì)壘進(jìn)入TiO2一側(cè)的熱電子會(huì)大幅度增加，導(dǎo)致光電流有數(shù)量級(jí)的增加(圖3b)。由此，通過控制紫外光的光強(qiáng)來(lái)調(diào)節(jié)肖特基勢(shì)壘高度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出熱電子光電流的可控調(diào)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)光電流輸出的有效放大。

類比于三極管對(duì)電信號(hào)的放大、開關(guān)和調(diào)制等功能，這種Ag/TiO2復(fù)合薄膜全光輸入的晶體管可用于對(duì)光電信號(hào)的增強(qiáng)、開關(guān)和調(diào)制(圖4)。該項(xiàng)工作為未來(lái)光電器件的研制提供了重要參考。

該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

圖1. 光電流增強(qiáng)效應(yīng)：紫外光照對(duì)器件近紅外光響應(yīng)的影響

圖2. (a) 三極管的輸出特性曲線，(b) Ag/TiO2復(fù)合薄膜的光電輸出特性曲線。

圖3. Ag/TiO2復(fù)合薄膜的光電響應(yīng)過程能帶圖：(a) 近紅外光(PS)激發(fā)的熱電子越過高肖特基勢(shì)壘，(b) 近紅外光(PS)激發(fā)的熱電子越過被紫外光(PG)降低后的肖特基勢(shì)壘

圖4. Ag/TiO2全光輸入晶體管工作機(jī)理的應(yīng)用

圖5. Ag/TiO2全光輸入晶體管工作機(jī)理的能帶示意圖(Frontispiece image)