【產(chǎn)通社，1月19日訊】北京大學(xué)（Peking University）官網(wǎng)消息，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)建雙柵極場效應(yīng)晶體管器件，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對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）雙柵極場效應(yīng)器件，實(shí)現(xiàn)了對PL強(qiáng)度的精準(zhǔn)電調(diào)諧。通過柵極電壓可對~3.4μm處的中紅外PL信號實(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對能帶結(jié)構(gòu)的影響。此外，二維Te的PL信號展現(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)。

Te納米片的晶體結(jié)構(gòu)與PL特性表征。（a）Te納米片的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。（b）雙柵器件結(jié)構(gòu)示意圖：少層石墨和硅分別作為頂柵和底柵，用于電學(xué)特性測試與可調(diào)PL測量。（c）晶體管的源漏電流（IDS）隨頂柵（紅線）和底柵（藍(lán)線）電壓變化的測量結(jié)果，其中VDS=0.1V。插圖為雙柵器件的光學(xué)圖像。比例尺：30μm。（d）1064nm激光激發(fā)下的PL過程示意圖及Te的能帶結(jié)構(gòu)。（e）PL光譜隨溫度（25K至300K）變化的等高線圖，黑色虛線標(biāo)注峰值位置。（f）PL光譜的半高寬、峰值位置及積分強(qiáng)度隨溫度的變化曲線。藍(lán)色實(shí)線為基于修正的Manoogian–Leclerc模型對溫度依賴帶隙的擬合結(jié)果。查詢進(jìn)一步信息，請?jiān)L問官方網(wǎng)站http://news.pku.edu.cn/jxky。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）