研究背景
二維材料LED是一類基于二維過渡金屬二硫?qū)倩衔铮═MDs）的發(fā)光器件，因其在顯示和光通信等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。與傳統(tǒng)的體相半導(dǎo)體材料相比，二維材料具有量子限域效應(yīng)和介電屏蔽效應(yīng)減弱等特點(diǎn)，使其在納米級(jí)光電器件設(shè)計(jì)中具有出色的性能。然而，二維材料LED在高激子生成率下易出現(xiàn)激子–激子湮滅（EEA）效應(yīng)，這導(dǎo)致量子效率的迅速下降，成為該材料應(yīng)用于高性能發(fā)光器件的一大挑戰(zhàn)。
鑒于此，東南大學(xué)章琦，呂俊鵬以及倪振華等人攜手在“Nature Electronics”期刊上發(fā)表了題為“Light-emitting diodes based on intercalated transition metal dichalcogenides with suppressed efficiency roll-off at high generation rates”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)通過氧等離子體插層的方式，制備了基于少層二硫化鉬（MoS2）和二硫化鎢（WS2）的脈沖發(fā)光二極管（LED）。這種氧插層工藝成功地在層間插入氧原子，使得緊密堆疊的少層結(jié)構(gòu)形成類量子阱的超晶格結(jié)構(gòu)，從而抑制了激子–激子相互作用，并提高了發(fā)光亮度。利用插層后的少層TMDs器件，顯著提高了量子效率，實(shí)現(xiàn)了在高激子生成率下無效率下降的電致發(fā)光。通過光譜測(cè)量，研究人員發(fā)現(xiàn)，插層工藝降低了激子玻爾半徑和擴(kuò)散系數(shù)，從而有效抑制了EEA效應(yīng)。
該研究展示了基于插層TMDs的新型LED在發(fā)光性能上的提升，在高激子生成率約1020 cm−2 s−1時(shí)，二硫化鉬和二硫化鎢的外量子效率分別達(dá)到了0.02%和0.78%。這一成果為高性能二維LED的設(shè)計(jì)提供了新思路，為二維材料在光電領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
研究亮點(diǎn)
1) 實(shí)驗(yàn)首次將氧等離子體插層應(yīng)用于少層過渡金屬二硫?qū)倩衔铮═MDs），成功制備了類似量子阱的超晶格結(jié)構(gòu)。此方法在少層二硫化鉬（MoS?）和二硫化鎢（WS?）中實(shí)現(xiàn)了層間剝離，形成了若干準(zhǔn)單層的堆疊。
2) 實(shí)驗(yàn)通過氧等離子體插層，減少了激子玻爾半徑和激子擴(kuò)散系數(shù)，從而顯著抑制了激子-激子湮滅（EEA）現(xiàn)象。光譜測(cè)量顯示，插層后的少層TMDs在光激發(fā)和電注入發(fā)光下，在高激子密度（約1020 cm?² s?¹）下不出現(xiàn)效率下降。
3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于插層的MoS?和WS?的LED在較高生成率下仍可保持較高的外量子效率（EQE），分別達(dá)到0.02%和0.78%。這些LED在高電流密度下無效率下降，表明其具有優(yōu)異的抗EEA特性。
