Nano Letters: 范德华异质结单缺陷发光二极管

在过去的二十年间，为了实现量子信息技术应用中的有效固态单光子发射器，科学家们做了很多有意义的工作。单层WSe2的单缺陷提供了一种新型的单光子源，发射器被局域在单层WSe2，这给集成光路的发展带来了一种新的可能性。很多科学家对此做了研究，但是这些研究都依靠载流子的光激励通过空穴和电子对缺陷的注入，触发单光子发生。

近日，美国华盛顿大学科学家徐晓东团队通过设计垂直和横向范德华异质结器件，实现了单层WSe2单缺陷边界激子的电致发光。器件利用少层石墨烯作为源极和漏极，氮化硼作为电介质空间层，形成隧穿接触。此外，横向器件利用分裂背栅设计，实现了静电限定的p-i-n结，在低电流密度和低温（~5K）条件下，研究者观察到了电致发光的窄谱线，其性质和光激励缺陷边界激子的性质是一致的。研究者指出辐射源于样品的空间局域区域，单缺陷电致发光光谱有特征交换分裂和线性极化选择规则的特点。这项工作为二维半导体电驱动单光子源在量子技术方面的应用铺就了道路。

【图文详解】

图1 （a）垂直异质结LED器件的工作示意图，该器件由两个堆叠的石墨烯作为半透明导电电极，电极之间是六方BN(2-4层)-单层WSe2-六方BN(2-4层)结构；（b）一个典型垂直LED器件的光学成像，橘色和绿色虚线轮廓是石墨烯电极，黑色轮廓是器件区域；（c）非偏压状态下，器件电子结构示意图，X0表示本征激发；（d）外在偏压状态下，器件电子结构示意图。

图2（a）图1-b中器件的I-V曲线，电致发光起始在±1.9 V，用虚线标记；（b）在5K温度外加偏压情况下，图1-b中器件电致发光的光学成像；（c）能量和偏压调控下的电致发光谱，颜色深度对应于电致发光密度；（d）c图中，偏压为1.95V和2.1V时的截面图，展现了缺陷边界激励的窄发射峰。

图3 （a）用小孔进行空间孤立的单缺陷束缚激子的电致发光光谱；（b）在1.69-1.71eV能谱范围内的电致发光空间地图，颜色对应在线性尺度的电致发光密度；（c）随能量和偏压变化的单缺陷电致发光密度；（d）c图在偏压为1.94V时的线性截断图，表明峰的精细结构，有着0.9meV的分裂和大约300μeV的线宽。

图4 （a）横向LED器件的电致发光光谱展现来自三个单缺陷的辐射，插图为横向LED器件的光学成像；（b）在1.703eV的缺陷电致发光随时间的变化，展现了双峰同步的频谱漂移；（c）同一缺陷的电致发光随极化探测角的变化；（d）图c中，0，45，90度极化探测角的横向截断图。

文献链接：Single Defect Light-Emitting Diode in a van der Waals Heterostructure（DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01580）

本文由材料人编辑部灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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