| |
 |
图 二维半导体材料发光器件结构示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：62175124、91750206、61861136006）等资助下，清华大学宁存政教授团队在二维材料发光器件领域取得进展。研究成果以“无注入式多波长单层半导体交变场驱动发光器件（Injection-free multiwavelength electroluminescence devices based on monolayer semiconductors driven by an alternating field）”为题，于2022年2月2日发表在《科学·进展》（Science Advances）期刊上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl5134。
以过渡金属硫族化合物为代表的二维半导体材料是继石墨烯之后国际上又一个研究焦点，凭借其独特的光电特性有望成为继InP、GaAs等III-V族半导体之后新一代的有源半导体材料。然而到目前为止，基于二维半导体材料的纳米激光器仅能在光泵浦下实现，电注入的二维材料纳米激光尚未实现。因此，二维半导体材料电致发光的研究是目前纳米发光领域的焦点和难点问题，它不仅对二维半导体发光二极管、电注入二维半导体纳米激光基础研究领域具有重要意义，更是对二维半导体发光器件能否走向实用化起到决定性作用。
基于二维半导体材料实现电致发光器件面临几个关键问题。第一，二维半导体材料与电极间难以实现欧姆接触。在二维材料电注入器件结构中，通常使用石墨烯或者金属电极和二维材料进行直接接触，其肖特基势垒比较高，因而带来较高的接触电阻。目前还没有一种有效的办法在二维半导体材料和金属电极之间构建欧姆接触，这极大地制约了二维材料发光器件的电注入效率。第二，基于单层二维半导体材料的PN结难以通过可控的化学掺杂制备。虽然可以通过栅压调控实现单层二维材料横向PN结及电致发光，但是目前该类型器件发光效率较低，并且电注入结构复杂，不利于发光部件与微腔等光学结构进一步结合。第三，目前通过直接生长或者机械剥离得到的单层或者薄层二维半导体材料尺寸仅为几十到几百微米。碎片化的二维材料严重限制了器件的尺寸以及大规模生产。
为了克服二维半导体电致发光器件面临的诸多难题，该研究团队重新设计了基于二维半导体电致发光器件结构。根据二维半导体材料的特点，提出一种新型的二维半导体电致发光器件。该器件不需要金半接触，也不需要对单层二维半导体材料进行额外的掺杂或载流子调控。充分利用二维半导体材料激子结合能大的特点，施加交变电场加速正负载流子定向运动，通过碰撞产生激子并辐射发光（图）。该技术在单层WSe2、WS2、MoSe2、MoS2，以及单、双层MoTe2等常见的二维半导体中得到了验证，实现了从可见光到近红外的电驱动发光。更加重要的是该器件还可以利用一对叉指电极同时激励多片不连续的二维半导体材料同时发光，以及激发多种二维半导体材料实现多波长发光，为二维半导体材料的发光应用开辟了一条新的道路。