东南大学,Nature Electronics!

日期:2024-11-01 阅读:631
核心提示:东南大学章琦,吕俊鹏以及倪振华等人携手在“Nature Electronics”期刊上发表了题为“Light-emitting diodes based on intercalated transition metal dichalcogenides with suppressed efficiency roll-off at high generation rates”的最新论文。

 研究背景

二维材料LED是一类基于二维过渡金属二硫属化合物(TMDs)的发光器件,因其在显示和光通信等领域的潜在应用而备受关注。与传统的体相半导体材料相比,二维材料具有量子限域效应和介电屏蔽效应减弱等特点,使其在纳米级光电器件设计中具有出色的性能。然而,二维材料LED在高激子生成率下易出现激子–激子湮灭(EEA)效应,这导致量子效率的迅速下降,成为该材料应用于高性能发光器件的一大挑战。

鉴于此,东南大学章琦,吕俊鹏以及倪振华等人携手在“Nature Electronics”期刊上发表了题为“Light-emitting diodes based on intercalated transition metal dichalcogenides with suppressed efficiency roll-off at high generation rates”的最新论文。该团队通过氧等离子体插层的方式,制备了基于少层二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)的脉冲发光二极管(LED)。这种氧插层工艺成功地在层间插入氧原子,使得紧密堆叠的少层结构形成类量子阱的超晶格结构,从而抑制了激子–激子相互作用,并提高了发光亮度。利用插层后的少层TMDs器件,显著提高了量子效率,实现了在高激子生成率下无效率下降的电致发光。通过光谱测量,研究人员发现,插层工艺降低了激子玻尔半径和扩散系数,从而有效抑制了EEA效应。

该研究展示了基于插层TMDs的新型LED在发光性能上的提升,在高激子生成率约1020 cm−2 s−1时,二硫化钼和二硫化钨的外量子效率分别达到了0.02%和0.78%。这一成果为高性能二维LED的设计提供了新思路,为二维材料在光电领域的应用奠定了基础。

研究亮点

1) 实验首次将氧等离子体插层应用于少层过渡金属二硫属化合物(TMDs),成功制备了类似量子阱的超晶格结构。此方法在少层二硫化钼(MoS₂)和二硫化钨(WS₂)中实现了层间剥离,形成了若干准单层的堆叠。

2) 实验通过氧等离子体插层,减少了激子玻尔半径和激子扩散系数,从而显著抑制了激子-激子湮灭(EEA)现象。光谱测量显示,插层后的少层TMDs在光激发和电注入发光下,在高激子密度(约1020 cm⁻² s⁻¹)下不出现效率下降。

3) 实验结果表明,基于插层的MoS₂和WS₂的LED在较高生成率下仍可保持较高的外量子效率(EQE),分别达到0.02%和0.78%。这些LED在高电流密度下无效率下降,表明其具有优异的抗EEA特性。

图1: 氧等离子体插层。

图2: 激子-激子湮灭exciton–exciton annihilation,EEA抑制机制。

图3: 基于三层二维过渡金属硫族化合物trilayer transition metal dichalcogenides,3L TMD的瞬态二维发光二极管light-emitting diodes,LED。

图4: 基于插层的三层3L MoS2和WS2的瞬态2D LED的电致发光electroluminescence,EL 外量子效率external quantum efficiency,EQE。
 
 
总结展望
这篇文章为二维材料(如氧等离子体插层的几层TMDs)在光电器件中的应用提供了新的视角。通过氧等离子体插层,研究者成功抑制了三层插层MoS₂中的激子-电子复合,从而实现了明亮的发光特性,并保持有限的非辐射复合中心。这一发现表明,气体插层可以有效调节二维材料的激子相互作用,如激子Bohr半径和扩散系数的变化,这为优化器件性能提供了新的思路。此外,在高电流密度下实现了无效率滚降的光致发光和电注入发光,表明其在高效LED应用中的潜力。实验与理论相结合的方法,尤其是通过密度泛函理论计算和传输矩阵算法的联合应用,揭示了材料的光学特性与结构之间的内在联系,为未来材料的设计和性能优化提供了重要的指导。
 
原文详情:
Wang, S., Fu, Q., Zheng, T. et al. Light-emitting diodes based on intercalated transition metal dichalcogenides with suppressed efficiency roll-off at high generation rates. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01264-3
 
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