【研究背景】
效率衰减限制了发光二极管（LEDs）在高电流密度下的性能。对于二维（2D）材料器件，有源材料中的强量子限制和减弱的介电屏蔽导致在高产生速率（G）下出现激子相互作用，特别是激子-激子湮灭（EEA），这导致了效率衰减。EEA是一种通常在高激子密度的激子半导体中观察到的类俄歇复合过程，其中一个激子在非辐射能量转移的同时使另一个激子电离。密度依赖的EEA也在本征2D激子材料中被观察到，例如无缺陷的单层过渡金属二硫属化物（1L TMDs），这会导致在高G下量子产率（QY）急剧下降。
目前已有相关研究来缓解EEA和随之而来的高激子密度下QY的下降。介电工程可以限制激子材料中的非辐射EEA，例如通过六方氮化硼（hBN）包覆和使用高κ衬底。改变激子与其介电环境之间的相互作用可以减少局域非辐射复合中心的数量，从而减轻效率衰减。此外，当范霍夫奇点共振与两倍激子跃迁能量重合时，1L TMDs表现出加剧的EEA。在这种情况下，通过施加拉伸应变也可以实现对1L TMDs中EEA的抑制。态密度的发散使得解离载流子的末态从范霍夫奇点发生偏移。然而，施加应变会导致电致发光（EL）发生期望外的变化，如谱线宽化和强度不均匀，这对光通信和显示应用是不利的。通过介电工程或应变来降低1L TMDs中的EEA速率，可以在G高达约1020 cm−2 s−1时达到接近1的光致发光量子产率（PLQY）。然而，在2D LEDs中实现无效率衰减的EL仍然是一个挑战。
【成果介绍】
鉴于此，东南大学倪振华教授、吕俊鹏教授和章琦副教授团队发表了题为“Light-emitting diodes based on intercalated transition metal dichalcogenides with suppressed efficiency roll-off at high generation rates”的工作在Nature Electronics期刊上。该工作展示了一种基于等离子体插层的多层TMDs的无衰减2D LED。使用一步氧等离子体插层制备了类量子阱超晶格，这种方法使紧密结合的层发生层间剥离，形成了几个准单层的堆叠。这种堆叠成混合超晶格改变了电子结构并增强了光致发光（PL）。与原始单层相比，插层的多层TMDs表现出被抑制的EEA和更明亮的发光，且无效率衰减。插层的多层TMDs显示出减弱的激子-激子相互作用，具有较小的激子玻尔半径和激子扩散系数。该工作制备了基于插层三层（3L） MoS2和WS2的LEDs，当这些器件在瞬态激发下工作与之前的器件相比具有更好的EEA耐受性。插层MoS2和WS2 LEDs在G约为1020 cm−2 s−1时分别实现了高达0.02%和0.78%的外量子效率（EQE）。
【图文导读】
图 1. 氧等离子体插层。a, 多层MoS2薄片氧等离子体插层的示意图。b, 氧等离子体插层前后MoS2薄片的AFM形貌图。c, 氧等离子体插层前后多层MoS2薄片的PL图。插图为相应的光学显微图。d, 在入射功率1.51 × 102 W cm−2 (G = 1.67 × 1019 cm−2 s−1)下测量的原始1L MoS2（乘以10）和插层2L和3L MoS2薄片的PL光谱。e, 分阶段等离子体处理过程中背栅FET的转移特性。f, g, 原始1L MoS2 (f) 和插层3L MoS2 (g) 中功率依赖PL光谱的等高线图。 h, i, MoS2薄片 (h) 和WS2薄片 (i) 的PLQY随激子G的变化。
图 2. EEA抑制机制。a, 通过光学泵浦-探测测量计算的EEA速率。b, 在G = 2.08 × 1019 cm−2 s−1下原始1L MoS2和插层3L MoS2的TRPL衰减以及仪器响应函数（IRF）。c, 等离子体插层前后多层MoS2薄片相对介电常数的实部和虚部。d, 不同G值下原始1L MoS2和插层3L MoS2的PL信号空间图像。e, 在G = 8.34 × 1019 cm−2 s−1下激子扩散图像的径向强度分布。
图 3. 基于插层3L TMDs的瞬态2D LEDs。a, 基于插层3L TMD的瞬态2D LEDs示意图。b, 基于插层3L MoS2的典型2D LED的光学显微镜图像。c, d, 在Vg分别为14 V和12 V时，在4 MHz激发下工作的基于插层3L MoS2 (c) 和插层3L WS2 (d) 的2D LEDs的EL光谱。e, 瞬态EL的能带图。
图 4. 基于插层3L MoS2和WS2的瞬态2D LEDs的EL EQE。a, 在固定调制频率下，基于插层3L MoS2（绿色）、插层3L WS2（橙色）、原始1L WSe2（灰色）、原始（蓝色）和反掺杂1L WS2（紫色）的2D LEDs的归一化EL积分强度随Vg的变化。b, 在4 MHz激发下，基于插层3L MoS2（绿色）和插层3L WS2（橙色）的2D LEDs的EL EQE随Vg的变化。c, d, 插层3L MoS2 (c) 和插层3L WS2 (d) 的EL强度随调制频率的等高线图。e, 2D LEDs的EL EQE作为G的函数的基准比较。
【总结展望】
总之，本研究展示了基于氧等离子体插层的少层TMD的LED器件。在三层插层二硫化钼（3L MoS2）中，激子-激子湮灭（EEA）被抑制，并表现出明亮的发光，同时存在有限的非辐射复合中心。值得注意的是，少层样品中的多体激子相互作用可以通过氧等离子体插层来调节，减小了激子玻尔半径和激子扩散系数。在高达约1020 cm−2 s−1的载流子产生率（G）下，实现了无效率滚降的光激发和电注入发光，使得瞬态MoS2 LED的外量子效率（EQE）达0.02%。
【文献信息】
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