段鑲鋒Nature：無限接近二維半導體二極管中激子本征物理極限

【引言】

二維(2D)半導體因其獨特的光物理性質引起了人們的極大興趣，包括大的激子結合能和強的柵極可調性，這是由它們的維數降低引起的。盡管人們付出了非常多的努力，原始2D半導體的基本光物理和實際器件性能之間的脫節仍然存在，而這些性能往往受到許多外部因素的困擾，包括半導體-接觸界面的化學失調。同時，盡管激子在納米半導體中普遍存在，由于接觸或介電界面處的非理想性導致嚴重的非本征損耗，直接將光電器件特性與激子行為聯系起來仍然具有挑戰性

今日，美國加州大學洛杉磯分校的段鑲鋒、Justin R. Caram課題組，通過使用具有最小界面紊亂的范德華接觸，抑制了接觸誘導的Shockley-Read-Hall復合(肖克萊里德霍爾復合)，實現了二維半導體二極管中幾乎本征的光物理決定器件性能。利用裂開柵幾何中的靜電場對二硒化鎢二極管中的電子和空穴摻雜進行獨立調制，本工作發現在低電荷密度下的短路光電流中有一個不尋常的峰值。時間分辨光致發光顯示，由于激子-電荷Auger復合增強，激子壽命從電荷中性區的800 ?皮秒左右大幅下降到高摻雜密度下的50 皮秒左右。總之，本工作發現一個激子擴散受限模型很好地解釋了電荷密度依賴的短路光電流，這一結果進一步被掃描光電流顯微鏡所證實。由此論證了激子擴散和二體激子電荷Auger復合在2D器件中的基礎性作用，并突出了2D半導體的本征光物理可以用來制造更高效的光電子器件。相關論文以題為“Approaching the intrinsic exciton physics limit in two-dimensional semiconductor diodes”發表在Nature上。

?

【圖文導讀】

圖1. 原子薄WSe₂?p-n二極管具有原子清潔vdW觸點

?

圖2. 2D WSe₂?p-n二極管的摻雜相關光電性能

?

圖3. 依賴摻雜的TRPL和激子荷電俄歇

?

圖4. 光電流與激子壽命的關系

文獻鏈接： “Approaching the intrinsic exciton physics limit in two-dimensional semiconductor diodes”. Nature 599, 404–410 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03949-7