NN：与等离子体隧道结集成的二维半导体中的上转换电致发光
大家好，今天给大家分享的是Nature Nanotechnology上的文章“Upconversion electroluminescence in 2D semiconductors integrated with plasmonic tunnel junctions”
【摘要】
等离子体隧道结是一种独特的电致发光系统，其中光发射是通过隧道电子和等离子体场之间的相互作用而不是像传统发光二极管中那样通过电子-空穴复合发生的。之前的研究显示，将发光分子放置在纳米级隧道结的隧道路径中会产生特殊的上转换电致发光，其中发射光子的能量超过激发电子的能量。本文我们报告了在宏观范德华等离子体隧道结中观察到的上转换电致发光，该隧道结由金和几层石墨烯电极组成，中间由约 2 纳米厚的六方氮化硼隧道屏障和单层半导体隔开。我们发现半导体基极激子发射是在激发电子能量低于半导体光学间隙时触发的。有趣的是，这种上转换是在低电导率（<10-6 S）和低功率密度范围（<102 W cm-2）下工作的器件中实现的，这无法通过现有的提议机制进行解释。通过研究等离子体和激子发射强度之间的缩放关系，我们阐明了非弹性电子隧穿偶极子在少层石墨烯电极中诱导光禁戒跃迁和跨范德华界面的超快热载流子传输的作用。
图 1 | 设备示意图和双峰电致发光。
图 2 | 偏置相关双峰发射特性。
图 3 | IET 偶极子驱动的高能载流子的动量间接激发
图 4 | 上转换激子的形成机制。
【结论】
我们报告了集成到等离子体 TJ 配置中的 2D 半导体的上转换激子电致发光。我们的分析表明，上转换是由两个关键因素实现的：通过 IET 对高能载流子的动量间接激发，以及跨范德华界面的超快层间电荷传输。我们设想，通过适当的能带偏移工程降低从石墨烯到 WS2 的热载流子传输势垒，可以优化器件在上转换开始和发射效率方面的性能。原则上，在适当的能带对齐下，我们器件配置中的上转换开始可以达到 eVb = 1 2 E opt g。只要隧道势垒足够薄，使得 IET 偶极子与注入电极的自由载流子强烈耦合，所提出的机制就适用于其他材料系统。此外，IET 偶极子与半导体的直接相互作用本身就是一个有趣的研究课题。虽然由于本研究中使用的单层材料具有严格的二维性质，我们的系统中没有发生这种情况，但存在支持平面外激子跃迁的超薄半导体。我们设想等离子体 TJ 提供了一种通过单极电流激发在此类半导体中实现电致发光的非常规方法。利用通过 IET 偶极子进行的动量间接激发也提供了在多谷半导体中实现谷电子操作的新途径。
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原文DOI：https:/doi.org/10.1038/s41565-024-01650-0
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