基于插层过渡金属二硫化物的高效发光二极管

2025-01-06 Mon
基于插层过渡金属二硫族化合物的高发射率下无效率衰减的发光二极管研究背景与研究意义近年来，基于二维（2D）材料的发光二极管（LEDs）在显示技术、光通信和纳米光源等领域的应用前景备受瞩目。然而，由于二维材料的强量子限域效应与减弱的介电屏蔽，二维材料LEDs在高激发生成率下常出现“效率衰减”（Efficiency Roll-Off）的现象。这种现象主要归因于激子-激子湮灭（Exciton-Exciton Annihilation, EEA）过程，该过程是一种类似俄歇复合的非辐射能量耗散机制。具体表现为：一个激子通过能量转移导致另一个激子离子化，同时导致辐射效率急剧降低。
尽管已有研究通过六方氮化硼（hBN）包覆和高κ基底等介电工程手段来减弱EEA，如在单层过渡金属二硫族化合物（TMDs）中实现近乎单位量子产率（Photoluminescence Quantum Yield, PLQY），但如何彻底消除二维LEDs的效率衰减仍是关键挑战。本文在此背景下提出了一种基于插层氧等离子体加工的TMD二维材料LED，通过这种方法能够显著抑制EEA并在高激子生成率下保持亮度，无效率衰减。这项研究为高效、亮度可控的下一代微型发光器件的开发提供了重要科学基础与技术支持。
论文来源本文标题为《Light-emitting diodes based on intercalated transition metal dichalcogenides with suppressed efficiency roll-off at high generation rates》，发表在国际顶尖期刊《Nature Electronics》上，DOI: 10.1038/s41928-024-01264-3。文章的主要作者包括Shixuan Wang、Qiang Fu等，由东南大学、北京理工大学、新加坡科技设计大学及日本物质材料研究所等多家机构的科学家共同完成。
研究方法与实验设计插层氧等离子体技术构造的二维超级晶格材料研究首先设计了一种氧插层等离子体技术，用于加工二维TMD材料（二硫化钼MoS2和二硫化钨WS2）。具体步骤如下：
1. 氧插层过程：在电感耦合等离子仪中，通过低频（0.5 MHz）氧等离子技术，氧分子被插入TMD层之间，使其层间距几乎翻倍（例如，三层MoS2厚度从2.34 nm增至4.61 nm）。
2. 超晶格结构生成：插层后，二维TMD材料的紧密层被分离成准单层堆叠的超级晶格。这种晶格结构改变了材料的电子态，减小了激子玻尔半径和扩散系数，抑制了激子的非辐射复合过程。
光学与电学特性研究研究对插层处理后的二维材料进行了多重光学和电学表征：
1. 光致发光（PL）图谱和强度变化：插层后材料的PL强度显著增强。例如，插层后的三层MoS2比单层材料的发光增强了54倍。
2. 时间分辨PL测试（TRPL）：通过测量插层前后的激子寿命，研究发现插层材料的复合寿命显著延长，这表明EEA已被有效抑制。
3. 微分光反射与透射测量：插层材料的相对介电常数显著降低，这与激子玻尔半径减小高度一致。
4. 激子扩散成像：插层材料的激子扩散长度显著缩短（如从768 nm降至442 nm），进一步证实了EEA的缓解。
基于插层TMD的LED性能测试基于插层后二维TMD超级晶格，研究团队制备了工作于正弦波调制下的瞬态LED器件：
1. 电致发光光谱（EL）测量：插层后三层MoS2和WS2的EL主要来自中性激子发光，其外部量子效率（EQE）分别达到0.02%和0.78%。
2. 驱动电压与频率依赖性：通过调节驱动方波电压和调制频率，研究发现插层后材料在高激子生成率（~10²⁰ cm⁻² s⁻¹）下EQE无明显衰减，表现出极高的稳定性；尤其是WS2在频率增加至4 MHz时其EQE达到了0.78%，创下2D半导体瞬态器件的最高纪录之一。
EEA抑制机制探讨研究进一步通过光泵-探针实验量化了EEA速率常数，结果显示插层后三层MoS2的EEA速率为0.02 cm² s⁻¹，比单层未插层材料（0.55 cm² s⁻¹）降低一个数量级。结合多种实验与理论分析，研究认为EEA的抑制主要源于以下机制：
1. 量子限域效应削弱：插层后晶格结构的变化导致激子间作用力减弱。
2. 介电环境优化：插层材料的介电常数显著降低，使激子玻尔半径和扩散系数同步减小。
3. 晶格应变：插层产生的晶格应力进一步降低了EEA几率。
研究结论与科学意义这项研究成功构造了基于插层超级晶格的二维TMD LED，解决了高激子生成率下的效率衰减问题。主要结论包括：
1. 无效率衰减激发与发光：在~10²⁰ cm⁻² s⁻¹的高生成率下，所制备的二维LED保持高亮发光，未出现效率衰减。
2. 技术领先性：插层工艺的创新显著提升了二维材料的PLQY与EQE，尤其是3层WS2在EQE与发光稳定性方面达到目前二维瞬态LED的国际领先水平。
3. 应用前景：新型插层材料有望在高速光通信、纳米显示器件以及芯片级光互连等领域发挥重大作用。
研究亮点创新性技术：氧等离子插层方法为二维材料高效发光提供了新型加工路径。
机制研究透彻：通过系统实验和理论分析揭示了EEA抑制的本质机制。
器件性能优异：插层二维LED展现出远高于传统器件的光电性能，尤其是在高频下的高发光效率。
应用展望与价值该研究在二维材料的基础研究及应用开发上均具有重要意义。不仅明确了如何通过材料改性实现二维LED的性能优化，而且为新型发光器件的开发提供了理论依据和实验范式。未来，这种插层材料不仅能推广至其他二维半导体，还可能在微型化、可穿戴显示、超高速数据通信等领域产生广泛应用。