諾獎得主新成果：石墨烯可用于開發低電壓LED器件

   當只有原子級厚度的半導體材料以“樂高”的形式組合在一起時，它們可以組成以較低電壓發光、并且損耗非常低的新型LED器件。雖然這項研究仍然處于比較基礎的階段，但是這項研究在光電子學和電信領域未來的實際應用具有非常廣闊的前景。

   LED器件的工作電壓通常等于或大于每個電子電荷的帶隙能量。近日，來自華盛頓大學、曼徹斯特大學、格勒諾布爾高磁場實驗室和日本國家材料科學研究所的一個研究小組已經能夠證明LED器件可以在比目前低得多的電壓下工作。

   堆疊不同層狀材料以制造所謂的異質結構的想法最早可以追溯到20世紀60年代，當時科學家們研究砷化鎵半導體用于制造微型激光器，現在這種材料已被我們廣泛使用。

   今天，異質結構是非常常見的，并且在半導體工業中被我們廣泛用作設計和控制器件中的電子和光學性質的工具。

   近年來，在原子級厚度的二維（2-D）晶體（例如石墨烯）時代，出現了新型的異質結構，其中原子級薄的二維層裝材料通過相對較弱的范德華力保持在一起。

   這種被為“范德瓦爾斯異質結構”的新結構通過將任意數量的原子級薄層材料堆疊在一起，開辟了創造眾多新型材料和新型器件的巨大潛力。這種二維材料構成的新結構可以實現傳統的三維材料無法實現的數百種組合，可能會獲得新的未開發的光電器件功能或不尋常的材料特性。

   目前，全球范圍內很多研究團隊進行了大量的實驗，重點是過渡金屬二硫屬化物的發光性質。然而，這些研究通常僅通過光學手段完成。對于實際應用，人們更期望電觸發光。

   “如果只添加一種原子級薄的材料就可以如此顯著地改變器件的特性，那將是非常有趣的。這是范德瓦爾斯異質結構在實際應用中的強大功能，”英國國家石墨烯研究所的Aleksey Kozikov博士說。

   正如在《Nature Communications》上發表的那樣，由Aleksey Kozikov博士、Kostya Novoselov教授和Marek Potemski教授領導的團隊能夠利用電力做到這一點。

   研究人員將電子和空穴結合在不同的過渡金屬二硫屬化物中，即所謂的層間激子。當這些激子以非輻射方式重新組合，產生了俄歇效應。釋放的能量被轉移到其他載體，然后可以移動到更高的能量狀態。結果，能量最初太低而無法克服材料帶隙的電荷載流子現在可以輕易地穿過該勢壘，重新組合并發光。這種效應稱為“上轉換”。

   石墨烯電極作為一個載體通過異質結構中堆疊的六方氮化硼可將電荷載流子注入二硫化鉬（MoS 2）和二硒化鎢（WSe 2）。通過在其間添加氮化硼來改變這些過渡金屬二硫屬化物之間的距離，允許將LED從正常操作調諧到低電壓操作并觀察上轉換的影響。通過在其間添加氮化硼，來改變這些過渡金屬二硫屬化物之間的距離，允許將LED從正常操作調諧到低電壓操作并觀察“上轉換”的影響。

   從基本觀點來看，觀察到的效應標志著實現范德華異質結構的激子凝聚和超流動的重要一步。

   來自華沙大學的論文的第*作者約翰內斯·賓德博士說：“當我們開始測量第*批MoS2/WSe2器件時，我們真的很驚訝地觀察到如此低的施加電壓下的發光。這種上轉換的發射令人印象深刻地顯示了俄歇過程對范德華異質結構中的層間激子的重要性。我們的研究結果揭示了在很大程度上未開發的高載流子密度范圍內的物理學，這對于光電應用以及層間激子凝聚等基本現象至關重要。

   Aleksey Kozikov博士補充說：“如果只添加一種原子級薄的材料可以如此顯著地改變器件的特性，那將是非常有趣的。這就是范德瓦爾斯異質結構在應用中的力量。”