近日，前沿院团队实现了对半导体-水界面动光伏效应的类晶体管调控,该研究成果以“Passive Gate-Tunable Kinetic Photovoltage along Semiconductor-Water Interfaces”为题在线发表在Angewandte Chemie International Edition上（hot paper）。
该研究团队在半导体-水界面上移动光束，发现光照-非光照区域之间双电层边界的移动能引起半导体产生面内电压（Vkp），该现象被称之为“动光伏效应”。为了有效调控动光伏效应，在铂电极（Pt）和硅（Si）之间施加电场(Vbias)，其结果表明了Vkp与Vbias之间存在显著依赖关系。
图1 (a)动光伏效应的实验装置示意图。在扫描光束时，记录了DI水中硅条两端的面内电压Vkp。在测量Vkp时，Si和栅极(Pt)之间的可变偏置电压(Vbias)保持恒定。(b)在0V(红线)和1V(黑线)的偏置电压下，Vkp(上图)对光束以0.5 cm/s的速度循环运动的响应。下图为相应的光束速度曲线。(c)栅极偏压调控硅的动光伏效应的原理图。(d)稳态Vkp与Vbias的关系图。移动光束的恒定速度为0.5cm/s。
该团队后续深入研究发现，通过简单地连接/断开半导体硅片与铝电极（Al）的接触，实现了对动光伏效应近三个数量级的调控,由此发展出无源栅极调控，后续Al，Pt，n-Si的表面光电压测试表明，引入不同对电极可以调节固液界面处的电场。这揭示了无源调控动光伏效应的工作原理类似于施加外部偏置电压的栅极调控。此项研究在半导体-水界面实现了类晶体管的无源调控，这为液体环境下的动电效应调控和光电逻辑器件设计开辟了一条新的途径。
图2 (a)调控硅动光伏效应的原理示意图。(b)Pt对电极插入DI水中时n-Si的Vkp的变化(红色阴影)。(c)Al对电极插入DI水中(红色阴影)并拔出时，n-Si的Vkp的演变表明动光伏效应的开/关。
论文第一作者为南京航空航天大学国际前沿科学研究院副研究员李基东，郭万林院士和殷俊教授为论文通讯作者。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202218393
