【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心孫棟教授課題組聯(lián)合湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院潘安練教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系曾長淦教授等合作團(tuán)隊(duì)，在二維碲(Te)納米片中實(shí)現(xiàn)了高效電可調(diào)諧的中紅外(Mid-IR)光致發(fā)光(PL)。通過構(gòu)建雙柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)PL強(qiáng)度的深度電學(xué)調(diào)制，并保持了極高的波長穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以《二維碲中電可調(diào)諧與線性偏振的中紅外光致發(fā)光》(“Electrically Tunable and Linearly Polarized Mid-Infrared Photoluminescence in 2D Tellurium”)為題，于12月26日在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)在線發(fā)表。
 

　　電子芯片與光子芯片的集成依賴于與片上互連兼容的高效光源和調(diào)制器。中紅外波段(約3—12μm)在大氣窗口傳輸、分子指紋識(shí)別和化學(xué)傳感等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。然而，現(xiàn)有的窄帶隙半導(dǎo)體(如InAs、HgCdTe)面臨制備成本高、與片上集成兼容性差等挑戰(zhàn)。作為極具潛力的二維中紅外材料，黑磷(BP)雖備受關(guān)注，但其環(huán)境不穩(wěn)定性以及柵壓調(diào)控下不穩(wěn)定的發(fā)光波長限制了其實(shí)際應(yīng)用。相比之下，元素半導(dǎo)體Te具有窄帶隙(~0.36eV)、高環(huán)境穩(wěn)定性及獨(dú)特的螺旋鏈狀晶體結(jié)構(gòu)，是構(gòu)建下一代中紅外光電器件的理想候選材料。
 

　　基于此，研究團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建石墨/六方氮化硼/碲(Gr/h-BN/Te)雙柵極場(chǎng)效應(yīng)器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PL強(qiáng)度的精準(zhǔn)電調(diào)諧。通過柵極電壓可對(duì)~3.4μm處的中紅外PL信號(hào)實(shí)現(xiàn)從增強(qiáng)(約132%)到幾乎完全猝滅(約0.4%)的深度、寬范圍調(diào)制。通過解耦垂直電場(chǎng)和靜電摻雜效應(yīng)，闡明了兩種不同的調(diào)控機(jī)制。靜電摻雜(調(diào)控載流子濃度)是主導(dǎo)PL強(qiáng)度雙向調(diào)制的關(guān)鍵，而垂直電場(chǎng)則無論極性如何，均通過誘導(dǎo)能帶彎曲、促進(jìn)載流子空間分離來抑制PL強(qiáng)度。
 

　　尤為重要的是，研究發(fā)現(xiàn)二維Te的發(fā)射波長在電學(xué)調(diào)制過程中表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)測(cè)得其發(fā)射波長偏移小于1meV，這與黑磷中由于巨Stark效應(yīng)導(dǎo)致的顯著帶隙削減形成了鮮明對(duì)比。第一性原理計(jì)算證實(shí)這源于Te在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂高度局域化的電子波函數(shù)，有效地屏蔽了外電場(chǎng)對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響。此外，二維Te的PL信號(hào)展現(xiàn)出垂直于螺旋鏈(c軸)方向的線性偏振特性(偏振度>98%)，并且該特性在柵極電壓的調(diào)控下保持不變。
 

　　基于上述獨(dú)特的物理性質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示了高速電光開關(guān)和可編程邏輯門原型。通過利用雙柵極或激發(fā)光作為獨(dú)立輸入端，成功構(gòu)建了“與門”(AND)和“或非門”(NOR)邏輯運(yùn)算，并演示了基于ASCII編碼的中紅外光信息加密傳輸方案。該工作不僅為理解和調(diào)控二維Te的光電特性提供了清晰的物理圖像，也引入了一類高性能的片上中紅外電光調(diào)制器，為未來在分子傳感、光通信和醫(yī)療診斷領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
 

　　本論文第一作者為北京大學(xué)與湖南大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生梁德瑯，孫棟、潘安練和曾長淦為共同通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。