Nano Letters: 范德華異質結單缺陷發光二極管

在過去的二十年間，為了實現量子信息技術應用中的有效固態單光子發射器，科學家們做了很多有意義的工作。單層WSe2的單缺陷提供了一種新型的單光子源，發射器被局域在單層WSe2，這給集成光路的發展帶來了一種新的可能性。很多科學家對此做了研究，但是這些研究都依靠載流子的光激勵通過空穴和電子對缺陷的注入，觸發單光子發生。

近日，美國華盛頓大學科學家徐曉東團隊通過設計垂直和橫向范德華異質結器件，實現了單層WSe2單缺陷邊界激子的電致發光。器件利用少層石墨烯作為源極和漏極，氮化硼作為電介質空間層，形成隧穿接觸。此外，橫向器件利用分裂背柵設計，實現了靜電限定的p-i-n結，在低電流密度和低溫（~5K）條件下，研究者觀察到了電致發光的窄譜線，其性質和光激勵缺陷邊界激子的性質是一致的。研究者指出輻射源于樣品的空間局域區域，單缺陷電致發光光譜有特征交換分裂和線性極化選擇規則的特點。這項工作為二維半導體電驅動單光子源在量子技術方面的應用鋪就了道路。

【圖文詳解】

圖1 （a）垂直異質結LED器件的工作示意圖，該器件由兩個堆疊的石墨烯作為半透明導電電極，電極之間是六方BN(2-4層)-單層WSe2-六方BN(2-4層)結構；（b）一個典型垂直LED器件的光學成像，橘色和綠色虛線輪廓是石墨烯電極，黑色輪廓是器件區域；（c）非偏壓狀態下，器件電子結構示意圖，X0表示本征激發；（d）外在偏壓狀態下，器件電子結構示意圖。

圖2（a）圖1-b中器件的I-V曲線，電致發光起始在±1.9 V，用虛線標記；（b）在5K溫度外加偏壓情況下，圖1-b中器件電致發光的光學成像；（c）能量和偏壓調控下的電致發光譜，顏色深度對應于電致發光密度；（d）c圖中，偏壓為1.95V和2.1V時的截面圖，展現了缺陷邊界激勵的窄發射峰。

圖3 （a）用小孔進行空間孤立的單缺陷束縛激子的電致發光光譜；（b）在1.69-1.71eV能譜范圍內的電致發光空間地圖，顏色對應在線性尺度的電致發光密度；（c）隨能量和偏壓變化的單缺陷電致發光密度；（d）c圖在偏壓為1.94V時的線性截斷圖，表明峰的精細結構，有著0.9meV的分裂和大約300μeV的線寬。

圖4 （a）橫向LED器件的電致發光光譜展現來自三個單缺陷的輻射，插圖為橫向LED器件的光學成像；（b）在1.703eV的缺陷電致發光隨時間的變化，展現了雙峰同步的頻譜漂移；（c）同一缺陷的電致發光隨極化探測角的變化；（d）圖c中，0，45，90度極化探測角的橫向截斷圖。

文獻鏈接：Single Defect Light-Emitting Diode in a van der Waals?Heterostructure（DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01580）

本文由材料人編輯部靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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