诺奖得主新成果：石墨烯可用于开发低电压LED器件

   当只有原子级厚度的半导体材料以“乐高”的形式组合在一起时，它们可以组成以较低电压发光、并且损耗非常低的新型LED器件。虽然这项研究仍然处于比较基础的阶段，但是这项研究在光电子学和电信领域未来的实际应用具有非常广阔的前景。

   LED器件的工作电压通常等于或大于每个电子电荷的带隙能量。近日，来自华盛顿大学、曼彻斯特大学、格勒诺布尔高磁场实验室和日本国家材料科学研究所的一个研究小组已经能够证明LED器件可以在比目前低得多的电压下工作。

   堆叠不同层状材料以制造所谓的异质结构的想法最早可以追溯到20世纪60年代，当时科学家们研究砷化镓半导体用于制造微型激光器，现在这种材料已被我们广泛使用。

   今天，异质结构是非常常见的，并且在半导体工业中被我们广泛用作设计和控制器件中的电子和光学性质的工具。

   近年来，在原子级厚度的二维（2-D）晶体（例如石墨烯）时代，出现了新型的异质结构，其中原子级薄的二维层装材料通过相对较弱的范德华力保持在一起。

   这种被为“范德瓦尔斯异质结构”的新结构通过将任意数量的原子级薄层材料堆叠在一起，开辟了创造众多新型材料和新型器件的巨大潜力。这种二维材料构成的新结构可以实现传统的三维材料无法实现的数百种组合，可能会获得新的未开发的光电器件功能或不寻常的材料特性。

   目前，全球范围内很多研究团队进行了大量的实验，重点是过渡金属二硫属化物的发光性质。然而，这些研究通常仅通过光学手段完成。对于实际应用，人们更期望电触发光。

   “如果只添加一种原子级薄的材料就可以如此显着地改变器件的特性，那将是非常有趣的。这是范德瓦尔斯异质结构在实际应用中的强大功能，”英国国家石墨烯研究所的Aleksey Kozikov博士说。

   正如在《Nature Communications》上发表的那样，由Aleksey Kozikov博士、Kostya Novoselov教授和Marek Potemski教授领导的团队能够利用电力做到这一点。

   研究人员将电子和空穴结合在不同的过渡金属二硫属化物中，即所谓的层间激子。当这些激子以非辐射方式重新组合，产生了俄歇效应。释放的能量被转移到其他载体，然后可以移动到更高的能量状态。结果，能量最初太低而无法克服材料带隙的电荷载流子现在可以轻易地穿过该势垒，重新组合并发光。这种效应称为“上转换”。

   石墨烯电极作为一个载体通过异质结构中堆叠的六方氮化硼可将电荷载流子注入二硫化钼（MoS 2）和二硒化钨（WSe 2）。通过在其间添加氮化硼来改变这些过渡金属二硫属化物之间的距离，允许将LED从正常操作调谐到低电压操作并观察上转换的影响。通过在其间添加氮化硼，来改变这些过渡金属二硫属化物之间的距离，允许将LED从正常操作调谐到低电压操作并观察“上转换”的影响。

   从基本观点来看，观察到的效应标志着实现范德华异质结构的激子凝聚和超流动的重要一步。

   来自华沙大学的论文的第*作者约翰内斯·宾德博士说：“当我们开始测量第*批MoS2/WSe2器件时，我们真的很惊讶地观察到如此低的施加电压下的发光。这种上转换的发射令人印象深刻地显示了俄歇过程对范德华异质结构中的层间激子的重要性。我们的研究结果揭示了在很大程度上未开发的高载流子密度范围内的物理学，这对于光电应用以及层间激子凝聚等基本现象至关重要。

   Aleksey Kozikov博士补充说：“如果只添加一种原子级薄的材料可以如此显着地改变器件的特性，那将是非常有趣的。这就是范德瓦尔斯异质结构在应用中的力量。”