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基于黑磷的范德华异质结构用于中红外光发射

研究人员利用薄膜黑磷(BP)和过渡金属二氢化合物(TMDC)构建了一种简单而新颖的范德瓦尔斯异质结构,实现了光电驱动的中红外(MIR)发光器件。这表明vdW异质结构是一个很有前途的中红外研究和应用平台。

MIR光谱广泛应用于热成像、分子表征和通信。在MIR技术中,MIR发光二极管(LED)具有线宽窄、功耗低、携带方便等优点。自2014年发现薄膜BP以来,由于其独特的面内各向异性、载流子迁移率高、带隙可调等特性而受到广泛关注,使BP在电子和光电子领域具有广阔的应用前景。

BP具有厚度相关的带隙(0.3-2 eV),通过引入外加电场或化学掺杂可以进一步调整带隙大小。由于这些原因,薄膜BP被认为是一种星际MIR材料。以往的研究主要集中在单层和少层BP薄片(层数< 5层)的发光性能上。然而,最新的研究表明,薄膜BP(> 7层)在MIR区域表现出显著的光致发光特性。

在发表在《光:科学与应用》杂志上的一篇报告中,研究人员提出了一种新型的vdW异质结构用于和平号空间站的发光应用,该异质结构由BP和TMDC(如WSe2和MoS2)构建。根据DFT计算,BP-WSe2异质结构形成了i型带对准。因此,单层WSe2中的电子和空穴对可以有效地传输到窄带隙BP中,从而增强薄膜BP的MIR光致发光。在厚度为5nm的BP-WSe2异质结构中,可获得200%的增强因子。

另一方面,BP-MoS2异质结构形成了ii型带对齐。在p型BP和n型MoS2的界面上形成一个自然的PN结。当BP和MoS2之间施加正电压偏置(Vds > 0)时,MoS2导带中的电子可以穿过势垒进入BP导带。同时,由于价带的肖特基势垒较大,大部分空穴被堵在BP内部的界面上。因此,在BP-MoS2异质结构中实现了高效的MIR电致发光。

BP-TMDC vdW异质结构具有制备工艺简单、效率高、与硅工艺相容性好等优点。因此,该技术为研究硅-二维混合光电系统提供了一个很有前途的平台。

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