Light:陈晓龙 | 基于黑磷的范德华异质结的中红外发光应用

来自南方科技大学和南京工业大学的研究者们合作提出基于黑磷（BP）与过渡金属硫族化物（TMDC）的范德华异质结可作为中红外发光器件研究的平台，相关成果以“Black phosphorus-based van der Waals heterostructures for mid-infrared light-emission applications”为题，发表在国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》。

图片来源：Light: Science & Applications

撰稿 | 宗新荣

中红外（MIR）光谱区域在环境监测、无损诊断、工业监控以及国防领域有着广泛的应用。其中，中红外光源是实现中红外检测技术的核心部件之一。中红外发光二极管（LED）可以发射出特定波长的MIR光信号，具有谱线窄、功耗较低、便携等特点。而传统半导体不仅制备成本昂贵，且缺乏在硅平台上集成的潜力。

在这方面，二维层状材料因易于异质集成而特别有吸引力。二维层状材料中相邻原子层之间的弱相互作用允许它们在任意衬底上沉积，从而可以实现各种特定功能的范德华异质结构，使得新型高性能中红外发光器件的设计成为可能。

近日，南方科技大学和南京工业大学合作提出基于黑磷（BP）与过渡金属硫族化物（TMDC）的范德华异质结可作为中红外发光器件研究的平台。其中，基于BP-WSe₂范德华异质结构（图1）实现了BP中红外发光的增强。基于BP-MoS₂范德华异质结构（图2），构建了中红外发光二极管，实现了室温下电致中红外发光。研究表明，在光或电的激励下，BP-TMDC异质结都能实现有效的MIR发光，这将为今后研究MIR光学特性及器件应用提供一个的良好平台。

图1 BP-WSe₂异质结的示意图以及其能带的密度泛函理论研究

图2 BP-MoS₂异质结二极管的示意图和光学图像

自2014年二维BP被重新发现以来，由于其独特的性能而备受关注。诸如面内各向异性、高载流子迁移率以及可调谐带隙等，使BP在电子和光电器件上有着广泛的应用潜力。BP具有厚度依赖（0.3-2eV）的带隙宽度，且在电场、元素掺杂的作用下还能进一步调节其带隙范围，因而BP被看作是中红外区域的明星材料。

在先前的研究中已经有很多基于BP的高性能中红外光电探测器的报道，而良好的中红外发光特性对于光学器件的应用也是极为重要的，但以往对于BP的发光研究更多都是集中在薄层可见光与近红外区域（<5层），而最新的研究报道表明，BP薄膜在中红外发光区域有着令人瞩目的应用前景。

图3 BP-WSe₂异质结的能带示意图

本文创新地提出BP和TMDC的范德华异质结构，通过特定的材料组合既可以实现中红外光致发光的增强，也可以构造中红外发光二极管实现电致发光。单层WSe₂具备良好的光吸收以及较强的量子效率，因此选其作为增强BP中红外发光的光吸收层。根据图1 第一性原理计算计算可知，BP-WSe₂异质结形成了I型能带排列。基于该能带排列，单层WSe₂中的电子和空穴对可以有效地传输至BP发光层中（图3），从而实现BP中红外发光的增强。在5nm厚的BP样品中实现了~200%左右的中红外光增强。

图4 BP-MoS₂异质结的能带示意图与发光原理

BP-MoS₂范德华异质结则可以形成II型能带排列。由于晶体中的缺陷，BP薄膜表现为空穴富余的p型特性，MoS₂薄膜表现为电子富余的n型特性。因此，在p型BP和n型MoS₂的界面自然形成了PN结。研究发现，通过在源漏级施加电压，MoS₂导带上的电子可以跃过势垒进入BP的导带。BP内的空穴则被价带高势垒有效地阻挡在界面处，从而实现高效的中红外电致发光（图4）。

本文提出的BP-TMDC范德华异质结具有结构简单、发光高效、硅基兼容性好等特点，可以与硅基波导等结构耦合实现中红外发光器件，在混合光电子器件与芯片领域具有潜在应用价值。

该研究成果以" Black phosphorus-based van der Waals heterostructures for mid-infrared light-emission applications"为题在线发表在Light: Science & Applications。

本文第一作者为南方科技大学访问学生宗新荣（现南京工业大学在读研究生）、湖南师范大学博士研究生胡华敏与欧阳钢教授，通讯作者为南方科技大学陈晓龙教授、王太宏教授以及南京工业大学王琳教授。此外，深圳大学张晗和王冰教授、南方科技大学程春教授、南洋理工大学刘政教授为本文合作作者。

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