節(jié)能LED(發(fā)光二極管)已經(jīng)開始取代室內(nèi)和室外的許多照明類型。LED興起的一個(gè)關(guān)鍵原因是材料研究，大大提高了這些設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的光的質(zhì)量和強(qiáng)度。但這些材料必須以非常高的精度處理，包括盡可能無缺陷的表面。

“它們更高效，使用壽命更長(zhǎng)，”勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)高級(jí)教師科學(xué)家Ali Javey說，“但為了獲得良好的效率，你真的必須將[材料]表面處理得完美 - 你必須觀察和控制表面化學(xué)，即使這樣，你仍然有一些光損失。Javey還是加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授。

Javey和他的團(tuán)隊(duì)表示，他們最近對(duì)黑磷(BP)的研究 - 一種因其電子特性而感興趣的材料 - 揭示了BP表面發(fā)光的誘人能力。

事實(shí)證明，可以刺激極薄的BP層以發(fā)射特定波長(zhǎng)的有用量的光。更重要的是，它會(huì)不考慮表面。事實(shí)上，它們甚至可以讓BP氧化(想想生銹)，它仍然會(huì)在中紅外(IR)中發(fā)光而不會(huì)損失任何效率。

“我們不會(huì)對(duì)表面做任何特別的事情。我們不做任何特殊的化學(xué)反應(yīng)。我們不放下任何特殊的保護(hù)層，“他說。

Javey團(tuán)隊(duì)在Nature Nanotechnology雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

這項(xiàng)工作既是關(guān)于BP特性的基本發(fā)現(xiàn)，也為應(yīng)用提供了令人興奮的前景。

“黑磷對(duì)于中波紅外光發(fā)射和檢測(cè)真的很好，”Javey說。“我們的團(tuán)隊(duì)和其他人之前已經(jīng)展示了非常明亮的中波紅外LED。由于基本材料特性，使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體的中紅外 LED 效率不高。BP在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有固有的優(yōu)勢(shì)。

Javey繼續(xù)說道，中紅外范圍對(duì)夜視、傳感、光譜學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用很感興趣。“我們的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了用于新型光電應(yīng)用(如發(fā)光器件和光電探測(cè)器)的層狀材料的獨(dú)特材料特性。

從薄黑磷中獲取光

Javey實(shí)驗(yàn)室一直在研究BP的“神奇特性”一段時(shí)間。2022年，他們報(bào)告說，在機(jī)械應(yīng)變下，可以誘導(dǎo)BP在理想波長(zhǎng)范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)發(fā)射或檢測(cè)紅外(IR)光 - 2.3至5.5微米，跨越短波到中波紅外 - 并在室溫下可逆地這樣做。

“在這篇新論文中，我們研究了當(dāng)我們改變BP的厚度時(shí)，發(fā)光機(jī)制是如何變化的，”共同作者Shiekh Uddin說。在厚單位的BP中，電子和空穴 - 即帶負(fù)電和正電的粒子 - 在相互碰撞時(shí)可以產(chǎn)生光。

然而，在幾納米以下變薄時(shí)，BP表面的電子和空穴是如此受限，以至于它們像磁鐵一樣組合在一個(gè)口袋里。這種激發(fā)態(tài)稱為激子，比孤立的電子和空穴更有效地發(fā)射光。

“重要的是，我們發(fā)現(xiàn)由于BP固有的晶體結(jié)構(gòu)，表面對(duì)發(fā)光效率的危害較小，”共同作者Naoki Higashitarumizu說。事實(shí)證明，BP具有異常低的表面復(fù)合速度。這是載流子(電子或空穴)在不產(chǎn)生光的情況下在材料表面上丟失的速度的量度。

事實(shí)上，BP的表面復(fù)合速度比其他材料低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，Uddin說。即使表面因環(huán)境暴露而被氧化或損壞，也是如此。因此，即使BP做得很薄，我們也可以實(shí)現(xiàn)明亮的光發(fā)射。

展望未來，Javey說：“我們相信低表面復(fù)合不僅限于BP，還應(yīng)該適用于具有類似晶體結(jié)構(gòu)的其他層狀材料。