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硅是当今微电子学和光子领域使用最为广泛的半导体材料。具有储量丰富、加工成本低、工艺路线成熟完备、易提纯、以及与现有互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺高度兼容等优势，是目前半导体器件行业的首选材料，被广泛应用于集成电路、微机械加工、传感器、光纤通信的器件中。但作为间接带隙半导体材料，单晶硅在光电子领域的应用受到了一定的限制。例如硅在室温下的禁带宽度为1.12eV，对应的光吸收截至波长为1100nm；高灵敏度探测需要高偏压、动态范围不足等诸多问题。因此无法应用在诸如红外成像、光通讯、低压高灵敏探测等领域。 飞秒激光辐照可同时实现硅材料表面微锥结构和表层过饱和掺杂，是近些年对硅材料进行改性的热门技术，因辐照后的硅从肉眼观察呈几乎无反射的黑色，因此被称为“飞秒激光改性黑硅”（与其它技术手段制备的黑硅性质不同）。过饱和掺杂有效地拓展了硅材料在近红外波段的响应范围，使其具有宽光谱高吸收的特性。黑硅的这种优异性能为高性能硅基光电器件的制备提供了基础，使其在红外制导，遥感，人工智能，无人驾驶，军事国防等诸多领域展现出广泛应用前景。

黑硅光电探测器的光谱响应测试，以及与商用硅、锗探测器的对比，在1.5、5、15和20V的反向偏置电压下，黑硅光电探测器的峰值响应度分别达到215.69、497.51、956.62和1097.60A/W，比商用硅基探测器高约3个数量级。同时在超出硅带隙的红外波段，黑硅探测器也展现出优异的探测能力，在1310nm和1550nm波长下，黑硅探测器的响应度可达0.58和0.80 A/W@-20V，与商用锗探测器的响应度在同一量级。黑硅探测器在低偏压下展现出宽光谱高响应的优异性能，这一结果突破了硅基光电探测器的物理极限，在弱光探测，红外成像和光通信等领域展示出卓越应用前景。

除了高响应特性，黑硅探测器在暗环境下展现出良好的整流特性，如图3(a)所示。在1V，3V和5V反向偏置下，暗电流分别为3.1μA，5.7μA和7.8μA(黑线)。在光照后，光电流得到显著提升，比相同偏压下的暗电流高出约4或5个数量级。这也体现出黑硅探测器灵敏的探测能力。在室温下，黑硅探测器的比检测率(D*)可达1.22×10¹⁴ Jones，表1列出了本课题组的黑硅探测器与目前文献报道的综合能力优异的硅基探测器的对比。同时，黑硅探测器具有较快的响应时间，其上升时间和下降时间分别为0.65ms和2.13ms。

本课题组通过对厚度为400μm的单晶硅在高浓度KOH溶液中进行腐蚀，获得厚度为15-20μm的超薄单晶硅，其展现出良好的弯曲柔韧性。随后通过黑硅探测器制备工艺将其制备成柔性黑硅探测器，表现出宽谱高光响应特性，在-2V的偏压下的峰值响应度为63.79A/W@870nm，对应的外量子效率高达9092%。当被弯曲到不同的曲率半径和反复弯曲超过500个周期时，探测器的响应度几乎保持不变，具有优异的弯曲可靠性。这一结果为高性能可穿戴柔性光电器件的研制提供了新的平台。

通过飞秒激光对半导体单晶硅材料的表面改性和过饱和掺杂，我们获得了综合性能优异的黑硅光电探测器，其在低偏压下即可实现宽光谱高增益特性，其峰值响应度比商用硅基探测器高约3个数量级，并且在亚带隙(1200-1600nm)范围内，也可实现与商用锗光电探测器相当的探测性能。同时，我们成功将黑硅探测器推广至柔性光电子领域，使其满足光电子器件对轻便化、可弯曲、小型化、可穿戴等要求。这些成果解决了目前硅基光电探测器在弱光探测，红外成像等方面存在的问题，使其在新一代人工智能，无人驾驶，增强现实，军事国防等领域展现广泛的应用前景。

南开大学是国内学科门类齐全的综合性、研究型大学之一，在长期办学过程中，形成了文理并重、基础宽厚、突出应用与创新的办学特色。学校有专业学院27个，学科门类覆盖文、史、哲、经、管、法、理、工、农、医、教、艺等。有国家“双一流”建设学科6个，一级学科国家重点学科6个（覆盖35个二级学科），二级学科国家重点学科9个，一级学科天津市重点学科32个。在第四轮全国学科评估中，14个学科进入前10%，其中5个学科进入前5%；在全球学科评价体系中，前1%学科15个，化学和材料科学进入前1‰。

通过飞秒激光改性可制备出均匀高吸收的黑硅材料，对黑硅表面进行退火、蒸镀电极等器件制备工艺处理，可制备出宽光谱、高增益的黑硅光电探测器，单元探测器如图1所示。飞秒激光辐照在硅表面产生高度和周期约为1-2μm的微锥结构，同时在材料表面可实现远超硫在硅中固溶度的过饱和掺杂，过饱和掺杂的硫原子将在硅晶格中形成施主杂质能级，使黑硅表面的载流子浓度显著提高。

随着便携式和可穿戴电子设备的快速发展，电子器件的柔性、可弯曲、智能化、轻量化已成为当前科学研究和产业应用的主要发展趋势。其中，硅基柔性光电探测器的研发是一个重要的方向。

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