Sort fosfor-baserede van der Waals heterostrukturer til mid-infrarød lys-emission applikationer

Forskere har realiseret optisk og elektrisk drevne mid-infrarøde (MIR) lysemitterende enheder i en enkel, men ny van der Waals (vdW) heterostruktur konstrueret af tyndfilm sort fosfor (BP) og overgangsmetal dichalcogenider (TMDC). Dette arbejde tyder på, at vdW heterostruktur er en lovende platform for mid-infrarød forskning og applikationer.

MIR-spektre er blevet meget brugt til termisk billeddannelse, molekyle karakteriseringer, og kommunikation. Blandt MIR-teknologier, MIR lysemitterende dioder (LED) viser fordelene ved smal linjebredde, lavt strømforbrug, og bærbarhed. Siden opdagelsen af ​​tyndfilm BP i 2014, det har fået meget opmærksomhed på grund af dets unikke egenskaber, såsom in-plane anisotropi, høj transportørmobilitet, og afstembart båndgab, etc., gør BP til et lovende materiale til applikationer inden for elektronik og optoelektronik.

BP har et tykkelsesafhængigt (0,3-2 eV) båndgab, og båndgabets størrelse kan justeres yderligere ved at indføre eksternt elektrisk felt eller kemisk doping. På grund af disse grunde, tyndfilm BP er blevet betragtet som et stjerne-MIR-materiale. Tidligere forskning fokuserede hovedsageligt på luminescensegenskaberne af enkeltlags- og fålags BP-flager (med lagnummer <5 lag). Imidlertid, de seneste rapporter indikerer, at tyndfilm BP (> 7 lag) viser bemærkelsesværdige fotoluminescensegenskaber i MIR-regionen.

I en rapport til bladet Lys:Videnskab og applikationer , forskere foreslog en ny vdW-heterostruktur til MIR-lysemissionsapplikationer, bygget fra BP og TMDC (såsom WSe ₂ og MoS ₂ ). Ifølge DFT-beregningen BP-WSe ₂ heterostruktur danner en type-I båndjustering. Derfor, elektron- og hulparrene i monolaget WSe ₂ kan transporteres effektivt ind i det smalle båndgab BP, hvorved MIR-fotoluminescensen af ​​tyndfilm BP forbedres. En forbedringsfaktor ~200% blev opnået i den 5nm tykke BP-WSe ₂ heterostruktur.

På den anden side, BP-MoS ₂ heterostruktur danner en type II-båndopstilling. En naturlig PN-forbindelse dannes ved grænsefladen mellem p-type BP og n-type MoS ₂ . Når en positiv spændingsforspænding påføres mellem BP og MoS ₂ (Vds> 0), elektroner i ledningsbåndet af MoS ₂ kan krydse barrieren og komme ind i ledningsbåndet af BP. På samme tid, størstedelen af ​​hullerne er blokeret ved grænsefladen inde i BP på grund af den store Schottky-barriere i valensbåndet. Som resultat, der opnås en effektiv MIR-elektroluminescens i BP-MoS ₂ heterostruktur.

BP-TMDC vdW heterostrukturerne har mange fordele, såsom en simpel fremstillingsproces, høj effektivitet, og god kompatibilitet med siliciumteknologi. Derfor, denne teknologi giver en lovende platform til at undersøge silicium-2-D hybride optoelektroniske systemer.